印制闆鍍(dù)金工藝的釺焊性和鍵(jiàn)合功能

    通常的置換鍍金（IG）液能夠腐蝕化學鍍鎳（EN）層，其(qí)結果是形成置換金層，并将磷(lín)殘留在化學鍍鎳層表面，使EN/IG兩層之間容易形成黑(hēi)色（焊）區（Black pad），它(tā)在焊接時常造成(chéng)焊接不牢（Solder Joint Failure）金層利落（Peeling）。延長鍍金的時間雖可(kě)得加較厚(hòu)的金層，但金層的結合力和鍵合性能迅速下降。本文比較了(le)各種印制闆鍍金工(gōng)藝組合(hé)的釺焊性和鍵合功能，探讨了形(xíng)成(chéng)黑色焊(hàn)區的條件與機理，同時發現用(yòng)中性化學鍍金是解決印制闆化學鍍鎳(niè)/置換鍍金時出現黑色焊區問題的(de)有效方法，也是取代電鍍(dù)鎳/電鍍軟(ruǎn)金工藝用于金線鍵合（Gold Wire Bonding）的有效工藝(yì)。
一  引言
    随着電子設備的線路設計越來越複雜，線路密度越來越高，分離的(de)線路和鍵合點也(yě)越來越多，許(xǔ)多複雜的印制闆要求它的最後表(biǎo)面化處理（Final Surface Finishing）工藝具有更多(duō)的功能。即(jí)制造工藝不僅可制成線更細，孔更(gèng)小，焊區更平的鍍(dù)層，而且所形成的鍍層必須是可焊的、可鍵合的、長壽的，并具有低的接觸電阻。[1]
    目前适(shì)于金線鍵合(hé)的鍍金工藝是電鍍(dù)鎳/電鍍軟金工藝，它不(bú)僅鍍層(céng)軟，純度高(gāo)（最高可達(dá)99．99%），而且具(jù)有(yǒu)優良的(de)釺焊性(xìng)和金線鍵合功能。遺憾的是它屬于電鍍型，不(bú)能用于非導通線路的印制闆，而要将多層闆的所有線路光(guāng)導通，然後(hòu)再複原，這需要花大(dà)量的(de)人力和物力，有時幾乎是不可能實現的。[2]另外電鍍金層(céng)的厚度會随電(diàn)鍍時的(de)電流密度而異，爲保證最低電流處的厚度，電(diàn)流密度高處的鍍層就(jiù)要超(chāo)過所(suǒ)要求的厚度，這不僅(jǐn)提高了成本(běn)，也爲(wèi)随後的(de)表面(miàn)安裝帶(dài)來麻煩(fán)。
    化學鍍鎳/置換鍍金工藝是(shì)全化學鍍工藝，它可用于非導通(tōng)線路的印制闆。這(zhè)種鍍層組合的釺焊性優良，但它隻适(shì)于鋁線鍵合而(ér)不适(shì)于金線鍵合。通常的置換鍍金(jīn)液是弱酸性的，它能腐蝕化學鍍鎳(niè)磷層（Ni2P）而形成置換鍍(dù)金層，并将磷殘留在化學鍍鎳層表面，形成黑色（焊）區（Black pad），它在焊接焊(hàn)常造成焊(hàn)接不牢(láo)（Solder Joint Failure）或金層脫落(luò)（Peeling）。試圖通過延長鍍金時間，提高(gāo)金層厚度來(lái)解決這些問題，結(jié)果反而使金層的結合力和鍵合功(gōng)能明顯下降。[3]
    化學(xué)鍍鎳/化學鍍钯/置換鍍金工藝也是全化學鍍工藝，可(kě)用于非導通線路的印制闆，而且鍵(jiàn)合功能優(yōu)良，然而釺焊性并不十分(fèn)好(hǎo)。開(kāi)發這一新工藝的早期目的是用價廉的钯代(dài)替(tì)金，然而近年來钯價猛漲，已(yǐ)達金價的3倍多，因此應用會越來越少。
    化學鍍金是和還原劑(jì)使金絡離子直(zhí)接被還原(yuán)爲金屬金，它并非通過腐蝕化學鍍鎳磷(lín)合金(jīn)層來沉積(jī)金。因此用(yòng)化學鍍鎳/化學(xué)鍍金工藝來取代化學鍍鎳/置(zhì)換鍍金工藝，就可以從根本上消除因置換反應而引起的黑色（焊）區問題。然而普通的市售化學鍍金液大(dà)都是酸性的（PH4-6），因此它仍存在腐蝕化學鍍鎳磷合金的反應。隻有中(zhōng)性化學鍍(dù)金(jīn)才可避(bì)免置換反應。實驗結(jié)果表明，若用化(huà)學鍍鎳/中性化學鍍金或化學鍍鎳/置換鍍金（<1min）/中性化學鍍金(jīn)工藝，就可以獲得既無黑色焊區問題，又具有優良的釺焊性和鋁、金線鍵(jiàn)合功能的鍍層，它适(shì)于COB（Chip-on-Board）、BGA（Ball Grid Arrays）、MCM（Multi-Chip Modules）和CSP（Chip Scale Packages）等高難度印制闆的制造。
    自(zì)催(cuī)化的化學鍍金工藝已進行(háng)了許多研(yán)究，大緻可分爲有氰的和無氰的兩類。無氰鍍(dù)液的成本較(jiào)高，而(ér)且鍍液并不十分穩定。因此(cǐ)我們開發了一種以氰化金鉀(jiǎ)爲金鹽的中(zhōng)性化學鍍金工藝(yì)，并申(shēn)請了專利。本文主要介紹(shào)中性化學鍍金工藝與其(qí)它咱(zán)鍍金工藝組合的釺(qiān)焊性和鍵合功能。
   二  實驗(yàn)
1 鍵合性能測試（Bonding Tests）
鍵合性能測試是在AB306B型(xíng)ASM裝配自動熱聲鍵合機（ASM Assembly Automation Thermosonic Bonding Machine ）上進行。圖1和圖2是鍵合測試的結(jié)構圖。金線的(de)一端被鍵合到金球上（見圖2左(zuǒ)邊），稱(chēng)爲球鍵(jiàn)（Ball Bond）。金(jīn)線的另(lìng)一端則被鍵合到(dào)金焊區（Gold pad）（見圖2右邊），稱爲楔形鏈（Wedge Bond），然後用金屬(shǔ)挂鈎鈎(gōu)住金(jīn)線并用力向上拉，直至金線斷裂(liè)并自動記下(xià)拉斷時的(de)拉力。若斷裂在球鍵或楔形鍵(jiàn)上，表示鍵合不合格。若是金線本身被拉斷，則表示鍵合良好，而拉斷金線所需的平均拉力(lì)（Average Pull Force ）越大，表示鍵合(hé)強度越高。
在本實驗中，金球鍵(jiàn)的鍵合參數是：時間45ms、超聲(shēng)能量設定55、力55g；而(ér)楔形(xíng)鍵的鍵合參數(shù)是：時間25ms、超聲能(néng)量設定(dìng)180、力155。兩處鍵合的操作溫度爲140℃，金線直徑32μm（1．25mil）。
2 釺焊(hàn)性測試(shì)（Solderability Testing）
釺(qiān)焊性測試是在DAGE-BT 2400PC型焊料球剪切(qiē)試驗機（Millice Solder Ball Shear Test Machine）上進行。先在焊接點上塗上助焊劑，再放上直徑(jìng)0.5mm的焊料球，然後送入重熔（Reflow）機上受熱焊牢，最後将機器的剪切臂靠(kào)到焊料球上，用力向後推擠焊料球(qiú)，直至焊料(liào)球被推離焊料接點，機器會自動記錄推開(kāi)焊料球所需的剪切力。所需(xū)剪切力越大(dà)，表示焊(hàn)接越牢。
3 掃描電鏡（SEM）和X-射線電子衍射能量分析（EDX）
用JSM-5310LV型JOEL掃描電鏡來分析鍍層的表面結構及剖面（Cross Section）結(jié)構，從金/鎳間的剖面結構可以判斷(duàn)是否存在黑帶（Black band）或黑牙（Black Teeth）等問題。EDX可(kě)以(yǐ)分析鍍層中各組成光素的相(xiàng)對百分含量。
   三  結果與讨論
1 在化學鍍鎳/置換鍍金層之間黑(hēi)帶的形成
将化學鍍鎳的印制(zhì)闆浸入弱(ruò)酸性置換鍍金液中，置換(huàn)金層将在(zài)化學鍍鎳層表面形成。若小心将(jiāng)置換金層剝掉(diào)，就會發現界面上有一層黑(hēi)色的鎳層，而在此黑色鎳層的下方，仍然存在未變黑的(de)化學鍍鎳層(céng)。有時黑色鎳層會深入(rù)到正常鍍鎳層的深處，若這層(céng)深處(chù)的黑(hēi)色鎳(niè)層呈帶狀，人們稱之爲“黑帶”（Black band），黑帶區磷含(hán)量高達12.84%，而在政(zhèng)黨化學鍍鎳區磷含量隻有8.02%（見圖3）。在(zài)黑帶(dài)上的金層很容易被膠帶粘住而剝落（Peeling）。有時腐(fǔ)蝕形成的黑色鎳層呈牙狀，人們稱之爲“黑(hēi)牙”（Black teeth）（見圖4）。
爲何(hé)在形(xíng)成(chéng)置換金層的同時會(huì)形(xíng)成黑色鎳層呢？這要(yào)從置換反(fǎn)應的機理來解(jiě)釋。大家(jiā)知道，化學鍍鎳層實際上是(shì)鎳磷合金(jīn)鍍層（Ni2P）。在弱酸性環境中它與金液中的金氰絡離子發生下列(liè)反應：
Ni2P+4[Au（CN）2]― →4Au+2[Ni（CN）4]2―+P
結果是金層的形成和鎳磷合金被(bèi)金被腐蝕，其中鎳變(biàn)成氰合鎳絡離子（Ni（CN）4）2―，而磷則殘留在表面。磷(lín)的殘留将使化學鍍(dù)鎳(niè)層變黑，并使表面磷含量升高。爲了重現這(zhè)一現象，我們也發現若(ruò)将(jiāng)化學鍍鎳層浸(jìn)入其它強腐蝕（Microetch）溶液中(zhōng)，它也(yě)同樣變(biàn)黑。EDX分析表明，表面層(céng)的鎳(niè)含量(liàng)由78.8%下降至48.4%，而磷的含量則由8.56%上升到13.14%。
2 黑色（焊）區(qū)對釺焊性和鍵(jiàn)合功能的(de)影響
在焊接過程中，金和正常鎳磷合金鍍層(céng)均可以熔入焊料之中，但殘留在黑(hēi)色鎳層表面的磷卻不能遷移到金(jīn)層并與焊料熔合。當大量(liàng)黑色鎳層存在時，其(qí)表面對焊料的潤濕(shī)大爲減低，使焊接強(qiáng)度大大減弱。此外，由(yóu)于(yú)置換鍍金層的純度與厚度（約(yuē)0.1μm都(dōu)很低。因此它最适于(yú)鋁(lǚ)線鍵合，而不能用于金線鍵合。
3置換鍍金液的PH值對化學鍍鎳層(céng)腐(fǔ)蝕的影響
無電（解(jiě)）鍍金可通過兩(liǎng)種途(tú)徑得到：
1） 通過置(zhì)換反應的置換鍍金（Immtrsion Gold， IG）
2） 通過化學還原反應的化(huà)學鍍金(jīn)（Electroless Gold，EG）
置換鍍(dù)金是通過化學鍍鎳磷層同(tóng)鍍金液中的金氰絡離子的直接置換反應(yīng)而施現
Ni2P+4[Au（CN）2]―→4Au+2[Ni（CN）4]2―+P
如(rú)前所述，反應的結果是金的沉積鎳(niè)的溶解，不(bú)反應的磷則殘留在化學鍍鎳層的表面，并在金/鎳界面上形成黑區（黑帶、黑牙…等形(xíng)狀）。
另一方面(miàn)，化學鍍金層是通過金氰(qíng)絡離子接(jiē)被次磷酸根還原而形成的
2[Au（CN）2]―+H2PO―2 +H2O→2Au +A2PO―3 +4CN―+H2↑
反應的結果是金離子被還爲金(jīn)屬金，而還(hái)原劑次磷酸根被氧(yǎng)化爲亞磷酸根(gēn)。因此(cǐ)，這與反應并不涉及到化學鍍鎳磷合金(jīn)的腐蝕或磷的殘留，也就不會(huì)有黑區問(wèn)題。
表1用SEM剖面分析來檢測各種EN/金組合的(de)黑帶與腐(fǔ)蝕
結果表明，黑帶（Black Band）或黑區（Black pad）問題主要取決于(yú)鍍金溶液的PH值(zhí)。PH值越低，它對化學鍍鎳層的腐蝕越快，也(yě)越容易形成(chéng)黑帶。若用一步中性化學鍍金（EN/EG-1）或兩步中(zhōng)性化學鍍金（EN/EG-1/EG-2），就不再觀察到腐(fǔ)蝕或黑帶，也就不會出現焊接(jiē)不牢的問題。
4各種印制闆鍍金工藝組合(hé)的釺焊性比較
表2是(shì)用焊料球剪切試驗法（Solder Ball Shear Test）測定各(gè)種(zhǒng)印制闆鍍金工藝組合所得鍍層釺(qiān)焊性的結果。表中的斷裂模式(shì)（Failure mode）1表木焊(hàn)料從金(jīn)焊點（Gold pad）處(chù)斷裂；斷裂(liè)模式2表示斷裂發生(shēng)在焊(hàn)球本身。
表2各種印制闆鍍(dù)金工藝組合所得鍍層的釺焊性比較
表2的結果表明，電鍍鎳(niè)/電鍍軟金具有最高的剪切強度（1370g）或最牢的焊接。化學鍍鎳/中性化學鍍金/中(zhōng)性化學鍍金也顯示非常好的剪切強度要大(dà)于800g。
5各種印制闆鍍金工藝組合(hé)的金線鍵合功(gōng)能比較
表3是用ASM裝(zhuāng)配自動熱(rè)聲(shēng)鍵合機測定各(gè)種印制闆鍍金工藝組合所得鍍層的金線鍵合測試結果。
表3各種印制闆鍍金工藝組合所(suǒ)得鍍層的金線鍵合測試結果(guǒ)
由表3可見，傳統的化學鍍鎳/置(zhì)換鍍金(jīn)方(fāng)法所得的鍍層組合，有8個點斷裂在金球鍵(jiàn)（Ball Bond）處，有2個點斷裂在楔形鍵（Wedge Bond）或印制的鍍金焊點上（Gold Pad），而良好的鍵合(hé)是不允許有一點斷裂在球(qiú)鍵與楔形鍵處。這說明化(huà)學鍍鎳/置換鍍金工(gōng)藝是不能用于金線鍵(jiàn)合。化學鍍鎳/中性化學鍍金/中性化學鍍金工藝所得鍍層的鍵合功能是優良的，它與化學鍍鎳/化學(xué)鍍钯/置換鍍金以及電鍍鎳/電鍍金的鍵合性能相當。我們認出這是因爲化學鍍金層有較(jiào)高的純度（磷不合共沉積）和較(jiào)低硬度（98VHN25）的(de)緣故。
6化學鍍金層的厚度對金線鍵合功能的影響
良(liáng)好的金線鍵合要求鍍金層有一定的厚度。爲此(cǐ)我們有各性化學鍍金方法分(fèn)别鍍取0.2至0.68μm厚的金(jīn)層，然後測定其鍵合性能。表4列出了不同金層厚度時(shí)所得的平均拉力（Average Pull Force）和斷裂模式（Failure Mode）。
表4化學鍍(dù)金層的厚度對金線鍵合(hé)功能的影響
由表4可見(jiàn)，當化學鍍金(jīn)層厚度在0.2μm時，斷裂有時會(huì)出現在楔形鍵上，有時在金線上(shàng)，這表明0.2μm厚度(dù)時的金線鍵合功能是很差的。當金層厚度達(dá)0.25μm以上時，斷裂均在金線上，拉斷(duàn)金線所需的平(píng)均拉力也很高，說明(míng)此時的鍵合功能已很好。在實際(jì)應用時，我們控制化學鍍金層的厚度在0.5-0.6μm，可比電鍍軟(ruǎn)金0.6-0.7μm略低，這是因爲化(huà)學鍍金的平整度比電鍍金的好，它不受(shòu)電流分布的影響。
四  結論
1 用中(zhōng)性化學鍍金取代弱酸性置換鍍金(jīn)時，它可以避免化學鍍鎳(niè)層的(de)腐蝕(shí)，從而根本上消(xiāo)除了在化學鍍鎳/置(zhì)換鍍金層界面上出現黑色焊區或黑帶的問題。
2 金厚度在0.25至(zhì)0.50μm的(de)化學鍍鎳/中性化學鍍金層同時具有優良的釺焊性和金(jīn)線鍵合功能，因(yīn)此它(tā)是理想的電鍍(dù)鎳/電(diàn)鍍金的替代工藝，适于細線、高密度印制(zhì)闆(pǎn)使用。
3 電鍍鎳/電鍍金工藝不(bú)适于電路來導通的印制闆，而中性化學鍍金無此(cǐ)限(xiàn)制，因而具有廣闊的應用前景。

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