背景
電子元器件的外電極上常使用多種材料通過電鍍形成多層復(fù)合鍍層結(jié)構(gòu)，以滿足產(chǎn)品的綜合性能1。電子元器件的外電極的鍍層厚度直接影響電子元器件的工作性能、穩(wěn)定性、可靠性和壽命2。因此，電子元器件鍍層的準(zhǔn)確制樣及檢測直接影響了可靠性研究和失效分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。
市面上很多電子元器件均需要在銅電極上按順序電鍍Cu、Ni和Sn三種鍍層（如圖1）。
圖1 某產(chǎn)品外電極結(jié)構(gòu)示意圖
圖片來源于順絡(luò)內(nèi)部
以可靠性研究為例：在研究某元器件跌落可靠性水平時，發(fā)現(xiàn)部分樣品從焊接的基板上脫落，且脫落斷裂點普遍發(fā)生于樣品的電鍍Cu層（如圖2）。
圖2 某產(chǎn)品跌落測試相關(guān)圖片。（a）跌落前，焊接于基板上；（b）跌落后，從基板上脫落；（c）失效位置切片圖。圖片來源于順絡(luò)內(nèi)部
為了驗證電鍍Cu層厚度對跌落可靠性的影響，需要對不同跌落水平樣品的電鍍Cu層厚度進行測量。但是銅電極與Cu鍍層由于材料相同且連接致密，無法采用光學(xué)顯微鏡（金屬光學(xué)色澤差異）、掃描電子顯微鏡（Scanning Electronic Microscope，SEM）（背散射電子襯度差異）或能量色散型X射線光譜（Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy，EDS）（元素差異）進行區(qū)分（如圖3）。
圖 3銅線及其鍍層原始形貌圖像。（a）500X金相圖像；（b）3000X二次電子圖像；（c）3000X背散射電子圖像；（d）Cu、Ni和Sn的Mapping。圖片來源于順絡(luò)內(nèi)部
圖3（a）：光學(xué)顯微鏡圖片，僅能看見呈淺黃褐色的Cu及其上較薄的灰褐色的Ni鍍層，電鍍Cu層無法區(qū)分。
圖3（b）：SEM-SE圖片，無法區(qū)分電鍍Cu層。
圖3（c）：SEM-BSE圖片，無法區(qū)分電鍍Cu層。
圖3（d）：EDS-Mapping圖片，僅能區(qū)分Cu與電鍍Ni層，無法區(qū)分電鍍Cu層。
因此，需尋找或者開發(fā)一種便捷準(zhǔn)確的方法對Cu鍍層觀察測量，從而得到Cu鍍層厚度與跌落試驗結(jié)果間關(guān)系。
本文基于金相腐蝕及光學(xué)成像原理，介紹一種通過腐蝕將Cu電極與電鍍Cu層界面顯露從而區(qū)分的方法。
實驗方法及原理描述
金相樣品制備：使用400#砂紙將樣品磨到電極截面區(qū)域，再逐步使用800#、1200#、2000#、2500#和4000#砂紙進行研磨，每次研磨將上一道研磨形成的劃痕去除。隨后先使用3μm的金剛石懸浮液粗拋光5分鐘，再使用1μm的金剛石懸浮液精拋光3分鐘。最后將樣品沖洗干燥。
腐蝕方法：腐蝕液由10g FeCl3.6H2O、10ml HCL和100ml去離子水均勻混合后制成，所用化學(xué)材料都為分析純。腐蝕方法為將樣品浸在腐蝕液中，到達時間后使用竹鑷子將樣品取出，并使用大量的清水沖洗以去除表面殘留腐蝕液。最后使用風(fēng)槍將樣品進行干燥。
金相腐蝕原理：金屬材料會與特定的腐蝕液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而溶解。但金屬中不同晶粒、不同相以及晶界與晶粒之間的自由能不同，尤其是Cu電極與電鍍層的界面，由于存在微孔洞或微裂紋，其自由能更為活躍，所以容易被腐蝕形成一道特別窄的溝槽，從而區(qū)分出二者。
結(jié)果與討論
腐蝕后：銅線及其鍍層的金相形貌如圖4所示。
圖4銅線及其鍍層不同腐蝕時間的500X金相圖像。（a）腐蝕60秒；（b）腐蝕90秒；（c）腐蝕150秒。圖片來源于順絡(luò)內(nèi)部
圖4（a）：腐蝕60s，箭頭處隱約出現(xiàn)Cu電極與電鍍Cu層的界線。
圖4（b）：腐蝕90s，界線更加明顯。
圖4（c）：腐蝕150s，界線已清晰可見。
小結(jié)：經(jīng)特殊腐蝕處理的切片樣品，可以區(qū)分Cu電極與電鍍Cu層。
結(jié)論
由于銅會和腐蝕液中的Fe3+離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)而Ni鍍層不發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)方程式為Cu+2Fe3+=Cu2++2Fe2+，所以Ni鍍層與Cu鍍層之間會形成高度差在金相顯微鏡下形成明顯的界面。而Cu電極與電鍍Cu層由于工藝不同所以其晶粒大小以及晶粒取向存在的差異會導(dǎo)致二者間的顯著不同。通過使用三氯化鐵鹽酸水溶液對拋光后含Cu/Ni/Sn鍍層的銅線進行腐蝕，由于電鍍Cu層、Ni層和Cu電極之間的腐蝕速率不同而形成明顯的界面。該界面可在金相顯微鏡下觀察，最后通過測量清晰的電鍍Cu層的上下界面可得到電鍍Cu層的厚度。
表1.某產(chǎn)品電鍍Cu層測試結(jié)果
圖片來源于順絡(luò)內(nèi)部
跌落試驗中的應(yīng)用
通過采用“銅線表面電鍍Cu層的測量方法”技術(shù)，可有效輔助產(chǎn)品設(shè)計，提高了產(chǎn)品的抗跌落性能。某型產(chǎn)品跌落次數(shù)從47次提升至108次，符合并超出了客戶標(biāo)準(zhǔn)。
結(jié)語
隨著科學(xué)技術(shù)的進步以及人們生活水平的提高，小型機電產(chǎn)品特別是便攜式電子產(chǎn)品在日常生活中得到極大的應(yīng)用。由于產(chǎn)品的便攜性使得消費者在攜帶或使用過程中將其失手跌落的意外時有發(fā)生，從而導(dǎo)致產(chǎn)品的破損。而且，作為精密的高科技產(chǎn)品，便攜式電子產(chǎn)品往往價格不菲，且其損壞帶來的隱形損失甚至超出產(chǎn)品本身價值因而，消費者購買產(chǎn)品時，在滿足基本功能的條件下會更加青睞有著良好耐撞性能的產(chǎn)品。產(chǎn)品的跌落沖擊耐撞性能已成為產(chǎn)品質(zhì)量的重要特性和產(chǎn)品的核心競爭能力3。
自從1945年Mindlin發(fā)表的奠基性論文《Dynamics of Package Crushing》開始，跌落沖擊耐撞性研究一直為研究者們所關(guān)注，行業(yè)內(nèi)在產(chǎn)品、集成電路板兩個層次上進行的試驗已普遍展開。順絡(luò)公司致力于成為電子元器件領(lǐng)域?qū)＜?，我們對電子元器件跌落試驗開展了廣泛而深入的研究，并將這些成果應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計中。只有掌握了產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)、跌落沖擊參數(shù)與耐撞性能的關(guān)系，以及不確定性傳遞規(guī)律，才能獲得產(chǎn)品穩(wěn)健設(shè)計方案（設(shè)計參數(shù)）。
本電鍍Cu層厚度的測量方法對產(chǎn)品設(shè)計人員在可靠性設(shè)計參數(shù)上提供更多數(shù)據(jù)支撐，保證了良好的抗跌落設(shè)計，有助于更透徹的理解產(chǎn)品，為消費者提供更為安全、可靠的產(chǎn)品。
參考文獻：
1.劉磊;盧思佳;周帥;王斌,電子元器件鎳金復(fù)合鍍層厚度測試方法研究.中國測試2017,43(03),9-14.
2.劉磊;黃波;盧思佳;周帥,復(fù)合金屬鍍層測試方法研究.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗2015,33(06),43-46.
3.楊書儀；劉德順；趙繼云；文澤軍，產(chǎn)品跌落沖擊耐撞性能穩(wěn)健設(shè)計研究進展.中國工程科學(xué)2010，12(01).
