印制闆鍍(dù)金工藝的(de)釺焊性和(hé)鍵合(hé)功能

    通常的置換鍍(dù)金（ig）液能夠腐蝕(shí)化學(xué)鍍鎳(niè)（en）層，其(qí)結果是形成置(zhì)換金(jīn)層，并将磷(lín)殘留在化學鍍鎳層表(biǎo)面，使en/ig兩(liǎng)層(céng)之間容易形(xíng)成黑色(sè)（焊）區（black pad），它(tā)在焊接(jiē)時(shí)常造(zào)成焊(hàn)接不牢（solder joint failure）金層利落（peeling）。延(yán)長鍍金的時間雖可(kě)得加較厚的金層，但(dàn)金層(céng)的結(jié)合力和鍵合性能迅速下降。本(běn)文比較了各種印制闆鍍金工(gōng)藝組合的(de)釺焊性和鍵合功能(néng)，探讨了形(xíng)成黑(hēi)色焊區的條件(jiàn)與機理，同時發現用中性化學(xué)鍍金是解決印(yìn)制闆(pǎn)化(huà)學鍍鎳(niè)/置換鍍(dù)金(jīn)時出現黑(hēi)色焊區問題的有效(xiào)方法(fǎ)，也是(shì)取(qǔ)代電鍍鎳/電(diàn)鍍軟金工(gōng)藝(yì)用(yòng)于金(jīn)線鍵(jiàn)合（gold wire bonding）的有效(xiào)工藝(yì)。
一  引(yǐn)言
    随着電(diàn)子設備的線路(lù)設計(jì)越來越複(fú)雜，線路密度越(yuè)來越(yuè)高，分離的(de)線路(lù)和鍵(jiàn)合點也越來越多，許(xǔ)多複雜的印制闆要(yào)求(qiú)它(tā)的最(zuì)後表面化處理（final surface finishing）工藝具有(yǒu)更多的功能。即制造工藝(yì)不僅可制(zhì)成線(xiàn)更細，孔更(gèng)小，焊(hàn)區更(gèng)平(píng)的(de)鍍層，而且所形(xíng)成的鍍層(céng)必須(xū)是可(kě)焊(hàn)的(de)、可鍵(jiàn)合的(de)、長壽的，并(bìng)具有低(dī)的接觸(chù)電阻(zǔ)。[1]
    目前适于(yú)金線鍵合的鍍(dù)金工(gōng)藝是電鍍(dù)鎳/電鍍軟(ruǎn)金工(gōng)藝，它(tā)不僅鍍(dù)層軟，純度高（最高可達(dá)99．99%），而(ér)且具有(yǒu)優良(liáng)的釺焊性(xìng)和金線(xiàn)鍵合功(gōng)能。遺憾的是它(tā)屬于(yú)電鍍(dù)型，不能用于非導通(tōng)線路(lù)的印制闆(pǎn)，而要(yào)将多層闆(pǎn)的所有線路光導通(tōng)，然後再複(fú)原，這需要花大(dà)量的(de)人力和物(wù)力(lì)，有(yǒu)時幾乎是(shì)不可能(néng)實現的(de)。[2]另外電(diàn)鍍金層(céng)的厚度會随電(diàn)鍍時的電流密(mì)度而異，爲保證(zhèng)最低(dī)電流(liú)處的(de)厚度(dù)，電流(liú)密度高處(chù)的(de)鍍層就(jiù)要超(chāo)過所要求的(de)厚度，這不僅(jǐn)提高了(le)成本(běn)，也爲随(suí)後的表面(miàn)安裝帶來(lái)麻煩(fán)。
    化學鍍鎳/置換鍍金工藝是全化學鍍工藝，它(tā)可用于非(fēi)導通(tōng)線路(lù)的印制闆(pǎn)。這種鍍層(céng)組合(hé)的釺焊(hàn)性優良(liáng)，但它(tā)隻适于鋁線鍵(jiàn)合而不适(shì)于金線鍵(jiàn)合。通常的(de)置換鍍金(jīn)液是弱酸(suān)性的(de)，它能(néng)腐蝕化學鍍鎳磷層（ni2p）而形(xíng)成置換鍍金層(céng)，并将磷殘留在化學鍍(dù)鎳層表(biǎo)面，形成黑色（焊）區（black pad），它(tā)在焊(hàn)接焊(hàn)常造成(chéng)焊接不牢（solder joint failure）或金層(céng)脫落(luò)（peeling）。試圖通過(guò)延長(zhǎng)鍍金時間(jiān)，提高(gāo)金層厚度(dù)來解(jiě)決這些(xiē)問(wèn)題，結(jié)果反而使金層的結(jié)合力和鍵(jiàn)合功能明顯下(xià)降。[3]
    化(huà)學(xué)鍍(dù)鎳/化(huà)學鍍钯(bǎ)/置(zhì)換鍍(dù)金工(gōng)藝也是全(quán)化學鍍工(gōng)藝，可(kě)用于(yú)非導通線(xiàn)路的(de)印制(zhì)闆，而且鍵(jiàn)合(hé)功能優(yōu)良，然而釺焊性(xìng)并不十分好。開(kāi)發這一新工(gōng)藝(yì)的早(zǎo)期(qī)目的是(shì)用價廉(lián)的(de)钯代替金(jīn)，然(rán)而近年(nián)來钯價猛漲，已(yǐ)達金(jīn)價的3倍多(duō)，因此應用會越來越(yuè)少(shǎo)。
    化學鍍金是和(hé)還原劑使金(jīn)絡(luò)離子直(zhí)接被(bèi)還(hái)原爲金(jīn)屬金，它(tā)并(bìng)非通(tōng)過腐蝕化學鍍(dù)鎳磷(lín)合金(jīn)層來沉積金。因(yīn)此用(yòng)化學鍍鎳/化學(xué)鍍金工藝來取代化學鍍鎳/置換鍍金(jīn)工藝，就(jiù)可以從根本上(shàng)消除(chú)因置換反(fǎn)應而引起的黑(hēi)色（焊(hàn)）區問題。然而普(pǔ)通的市售(shòu)化(huà)學(xué)鍍(dù)金(jīn)液大(dà)都是酸(suān)性(xìng)的（ph4-6），因(yīn)此它(tā)仍存(cún)在腐(fǔ)蝕化學(xué)鍍鎳磷(lín)合金的反應。隻有中性化學鍍(dù)金才可避免置(zhì)換反應。實驗結(jié)果表(biǎo)明(míng)，若用化學鍍鎳/中性化(huà)學鍍金或化學(xué)鍍鎳/置換(huàn)鍍金(jīn)（<1min）/中性(xìng)化學鍍金工藝，就(jiù)可以獲(huò)得既無(wú)黑色焊(hàn)區問題，又(yòu)具有(yǒu)優良的釺(qiān)焊(hàn)性(xìng)和鋁、金線(xiàn)鍵合(hé)功能的(de)鍍層，它(tā)适于cob（chip-on-board）、bga（ball grid arrays）、mcm（multi-chip modules）和csp（chip scale packages）等(děng)高難(nán)度印制闆的制(zhì)造。
    自催化的化(huà)學鍍(dù)金工(gōng)藝已進行了(le)許(xǔ)多研究，大緻可分爲(wèi)有氰的和無氰(qíng)的兩類(lèi)。無氰(qíng)鍍液的(de)成本較高(gāo)，而且鍍(dù)液并不(bú)十分穩定(dìng)。因此我們開發(fā)了一(yī)種以(yǐ)氰(qíng)化金(jīn)鉀(jiǎ)爲金鹽的中性化學鍍(dù)金(jīn)工藝，并申(shēn)請了(le)專利(lì)。本(běn)文主要介紹(shào)中性化學鍍金工藝與(yǔ)其它咱(zán)鍍金工(gōng)藝組合的釺(qiān)焊性和鍵(jiàn)合(hé)功能。
   二(èr)  實驗(yàn)
1 鍵合(hé)性能測試(shì)（bonding tests）
鍵合性能測試是在(zài)ab306b型(xíng)asm裝配自動熱(rè)聲鍵合機(jī)（asm assembly automation thermosonic bonding machine ）上(shàng)進行。圖1和圖(tú)2是鍵合(hé)測(cè)試的結構圖。金線的一端被(bèi)鍵合到金球(qiú)上（見圖2左(zuǒ)邊），稱爲球鍵（ball bond）。金(jīn)線的另(lìng)一端則(zé)被鍵合到金焊(hàn)區（gold pad）（見(jiàn)圖(tú)2右邊），稱(chēng)爲楔(xiē)形鏈(liàn)（wedge bond），然後(hòu)用(yòng)金(jīn)屬挂鈎鈎(gōu)住金線(xiàn)并(bìng)用力向上拉，直至金(jīn)線斷(duàn)裂(liè)并(bìng)自動(dòng)記下(xià)拉斷時的(de)拉力。若斷(duàn)裂在球鍵(jiàn)或楔形(xíng)鍵上，表(biǎo)示鍵(jiàn)合不(bú)合格。若(ruò)是金線(xiàn)本身被拉(lā)斷，則(zé)表示鍵合良好(hǎo)，而拉斷金線所需的(de)平均(jun1)拉力（average pull force ）越大，表示(shì)鍵合(hé)強度越高。
在本實驗中，金球鍵(jiàn)的鍵(jiàn)合參數是(shì)：時間45ms、超聲(shēng)能量(liàng)設定(dìng)55、力55g；而楔形(xíng)鍵的鍵合參數是：時間25ms、超聲能(néng)量設定(dìng)180、力155。兩處鍵合(hé)的操作溫(wēn)度爲140℃，金(jīn)線(xiàn)直徑(jìng)32μm（1．25mil）。
2 釺焊(hàn)性測試（solderability testing）
釺(qiān)焊性測試是在dage-bt 2400pc型焊料球剪切試驗機（millice solder ball shear test machine）上(shàng)進行。先在焊接點上塗上助焊劑，再(zài)放上直徑0.5mm的焊(hàn)料球，然後送入(rù)重熔（reflow）機上受熱焊牢，最後将機器的剪切臂靠(kào)到焊料(liào)球(qiú)上，用(yòng)力向(xiàng)後推(tuī)擠焊(hàn)料球，直至(zhì)焊料(liào)球被推離焊料接點，機器會自(zì)動(dòng)記錄推開焊(hàn)料球(qiú)所需(xū)的剪切力。所需(xū)剪切(qiē)力越大(dà)，表(biǎo)示焊接越(yuè)牢。
3 掃描電(diàn)鏡(jìng)（sem）和x-射線電子(zǐ)衍射(shè)能量分(fèn)析(xī)（edx）
用jsm-5310lv型joel掃描(miáo)電鏡來分析(xī)鍍層的(de)表面(miàn)結構(gòu)及剖面（cross section）結構，從金/鎳(niè)間的剖(pōu)面結構(gòu)可以判斷是否(fǒu)存在黑帶（black band）或黑牙（black teeth）等問題。edx可以(yǐ)分(fèn)析(xī)鍍層(céng)中各(gè)組成光素的相對百分含量。
   三(sān)  結果(guǒ)與讨論
1 在(zài)化學(xué)鍍鎳/置換(huàn)鍍金(jīn)層之間黑(hēi)帶的形(xíng)成
将(jiāng)化(huà)學鍍鎳的印制闆浸入(rù)弱酸性(xìng)置換(huàn)鍍(dù)金液中，置(zhì)換金層将在化學鍍鎳層表面形成。若小心将置換金層剝(bāo)掉，就(jiù)會發(fā)現界(jiè)面上(shàng)有一層黑(hēi)色的鎳層(céng)，而在(zài)此黑(hēi)色鎳層的(de)下方，仍(réng)然存在(zài)未變(biàn)黑的化學(xué)鍍鎳層。有時黑色鎳層會深(shēn)入到正常鍍(dù)鎳層(céng)的深處，若這層(céng)深處的(de)黑色鎳(niè)層呈帶(dài)狀(zhuàng)，人們(men)稱之爲“黑(hēi)帶”（black band），黑帶區(qū)磷含(hán)量高達12.84%，而在(zài)政黨化學鍍(dù)鎳(niè)區磷含(hán)量(liàng)隻有8.02%（見(jiàn)圖3）。在(zài)黑帶(dài)上的金層(céng)很容易被(bèi)膠帶(dài)粘住而剝(bāo)落（peeling）。有(yǒu)時腐蝕(shí)形成的(de)黑色(sè)鎳層呈牙(yá)狀，人們稱(chēng)之爲“黑牙(yá)”（black teeth）（見圖(tú)4）。
爲何(hé)在形成(chéng)置換金層的(de)同時會形(xíng)成(chéng)黑色鎳層呢(ne)？這要從置換(huàn)反(fǎn)應的機(jī)理來解(jiě)釋。大家(jiā)知道，化(huà)學鍍(dù)鎳層實際上(shàng)是鎳磷合金(jīn)鍍層（ni2p）。在弱酸性(xìng)環境(jìng)中它與金(jīn)液中的金(jīn)氰絡離子發(fā)生下列(liè)反應：
ni2p+4[au（cn）2]― →4au+2[ni（cn）4]2―+p
結果(guǒ)是金(jīn)層的(de)形(xíng)成(chéng)和鎳(niè)磷合金(jīn)被金被腐蝕(shí)，其(qí)中鎳變(biàn)成氰(qíng)合鎳絡離(lí)子（ni（cn）4）2―，而磷則(zé)殘留(liú)在表面。磷(lín)的殘(cán)留将(jiāng)使化(huà)學鍍(dù)鎳層變黑，并使(shǐ)表面磷含量升(shēng)高(gāo)。爲了重(zhòng)現這(zhè)一現象，我們也(yě)發現若(ruò)将化學(xué)鍍鎳層(céng)浸入其(qí)它強腐蝕（microetch）溶液(yè)中，它也同樣變(biàn)黑。edx分析(xī)表明(míng)，表(biǎo)面層的鎳含量(liàng)由78.8%下降至48.4%，而磷的含量則由8.56%上(shàng)升到13.14%。
2 黑色（焊）區(qū)對釺(qiān)焊(hàn)性(xìng)和鍵(jiàn)合功能的(de)影響(xiǎng)
在焊接(jiē)過程中，金和(hé)正常(cháng)鎳磷合金(jīn)鍍層均可(kě)以熔入焊料(liào)之(zhī)中，但(dàn)殘留(liú)在黑(hēi)色鎳層表面的(de)磷卻(què)不能(néng)遷移(yí)到(dào)金層并(bìng)與焊料熔(róng)合(hé)。當(dāng)大量(liàng)黑色鎳層(céng)存在時，其表(biǎo)面對焊料的潤濕大爲減低(dī)，使(shǐ)焊接強(qiáng)度大大減弱。此(cǐ)外，由(yóu)于置換鍍金層的純(chún)度與(yǔ)厚度（約0.1μm都很低(dī)。因此(cǐ)它最适于(yú)鋁線鍵(jiàn)合，而不(bú)能用于金線鍵合。
3置換鍍金液(yè)的ph值對化學鍍鎳層腐蝕(shí)的影(yǐng)響
無電（解）鍍(dù)金可通(tōng)過(guò)兩種途(tú)徑得(dé)到(dào)：
1） 通(tōng)過置換反應(yīng)的置換鍍金（immtrsion gold， ig）
2） 通(tōng)過(guò)化學還原(yuán)反應的化學鍍(dù)金（electroless gold，eg）
置換鍍(dù)金是通過化學(xué)鍍鎳(niè)磷層同鍍金液(yè)中的金氰(qíng)絡離子的直接置換(huàn)反應(yīng)而施(shī)現
ni2p+4[au（cn）2]―→4au+2[ni（cn）4]2―+p
如前(qián)所述，反應的結果是金(jīn)的沉積鎳(niè)的溶(róng)解，不(bú)反(fǎn)應的磷(lín)則殘留在(zài)化學(xué)鍍鎳(niè)層(céng)的表面(miàn)，并在金(jīn)/鎳界面上形成黑區（黑(hēi)帶、黑牙…等形(xíng)狀）。
另一(yī)方(fāng)面(miàn)，化學(xué)鍍金層是(shì)通過(guò)金氰(qíng)絡離子接(jiē)被次磷酸(suān)根還(hái)原而形(xíng)成的
2[au（cn）2]―+h2po―2 +h2o→2au +a2po―3 +4cn―+h2↑
反(fǎn)應的結(jié)果(guǒ)是金(jīn)離子被還爲金(jīn)屬金，而還原劑次磷(lín)酸根(gēn)被氧(yǎng)化爲亞磷酸(suān)根(gēn)。因此，這與反應(yīng)并不涉及(jí)到化(huà)學鍍(dù)鎳磷(lín)合金(jīn)的(de)腐蝕或磷的(de)殘留(liú)，也就不會(huì)有黑(hēi)區(qū)問(wèn)題。
表(biǎo)1用sem剖面(miàn)分析來(lái)檢測(cè)各種en/金組(zǔ)合的黑帶與腐(fǔ)蝕
結果表(biǎo)明，黑帶（black band）或黑區（black pad）問題(tí)主要取決(jué)于鍍(dù)金溶液的ph值。ph值(zhí)越低(dī)，它對化學鍍鎳層(céng)的腐蝕(shí)越快，也(yě)越(yuè)容易(yì)形成黑(hēi)帶。若用(yòng)一步中性(xìng)化學鍍金(jīn)（en/eg-1）或兩步中(zhōng)性化學鍍(dù)金(jīn)（en/eg-1/eg-2），就不再觀察到腐蝕或(huò)黑帶(dài)，也就(jiù)不會(huì)出(chū)現焊接(jiē)不牢的問題。
4各(gè)種印制闆鍍金(jīn)工藝組合的釺焊性(xìng)比較
表2是(shì)用焊料球剪切(qiē)試驗(yàn)法(fǎ)（solder ball shear test）測定各(gè)種印制闆鍍金(jīn)工藝組合(hé)所得鍍層釺焊性的結果(guǒ)。表中的斷(duàn)裂模(mó)式（failure mode）1表木焊(hàn)料從(cóng)金焊點（gold pad）處(chù)斷裂；斷裂(liè)模式(shì)2表示斷裂發生(shēng)在焊球本(běn)身。
表(biǎo)2各種(zhǒng)印制闆鍍(dù)金工藝組合所(suǒ)得鍍(dù)層的釺焊(hàn)性比較
表2的結(jié)果表(biǎo)明，電鍍鎳(niè)/電(diàn)鍍(dù)軟金具有(yǒu)最高的剪(jiǎn)切強(qiáng)度（1370g）或最牢(láo)的焊接。化(huà)學鍍鎳/中(zhōng)性化學鍍(dù)金/中(zhōng)性化(huà)學鍍金也(yě)顯示非(fēi)常(cháng)好的(de)剪切(qiē)強度要大(dà)于800g。
5各種印(yìn)制闆鍍金(jīn)工藝組合的(de)金線鍵合功能比較(jiào)
表3是(shì)用(yòng)asm裝配自(zì)動(dòng)熱聲(shēng)鍵合機測定各(gè)種印制闆(pǎn)鍍金(jīn)工藝組合(hé)所得(dé)鍍層的金線鍵合測(cè)試結果。
表3各種印(yìn)制(zhì)闆鍍(dù)金工(gōng)藝(yì)組合所(suǒ)得鍍(dù)層的金線(xiàn)鍵合測試結(jié)果(guǒ)
由表3可見(jiàn)，傳統的化學鍍(dù)鎳/置(zhì)換鍍(dù)金方法所(suǒ)得的鍍層組合(hé)，有8個(gè)點斷裂在金球(qiú)鍵(jiàn)（ball bond）處，有2個(gè)點斷裂在楔形(xíng)鍵（wedge bond）或(huò)印制的鍍(dù)金焊點上(shàng)（gold pad），而良(liáng)好的鍵合(hé)是不(bú)允許有一(yī)點斷(duàn)裂在(zài)球(qiú)鍵(jiàn)與楔(xiē)形鍵(jiàn)處。這說明(míng)化學(xué)鍍(dù)鎳/置換(huàn)鍍金工藝是不(bú)能用于金(jīn)線鍵(jiàn)合。化學鍍(dù)鎳/中性化(huà)學鍍金/中(zhōng)性(xìng)化學鍍金工(gōng)藝所得鍍層的鍵合功(gōng)能是優(yōu)良的，它(tā)與化學(xué)鍍鎳(niè)/化學(xué)鍍钯/置(zhì)換鍍金以及(jí)電鍍(dù)鎳/電(diàn)鍍(dù)金的鍵(jiàn)合性能相(xiàng)當。我們認出這(zhè)是因爲化學鍍金層有較(jiào)高的(de)純度(dù)（磷(lín)不合共(gòng)沉積(jī)）和較(jiào)低硬(yìng)度（98vhn25）的緣(yuán)故(gù)。
6化學(xué)鍍金(jīn)層(céng)的厚度(dù)對金線鍵(jiàn)合功(gōng)能的影響(xiǎng)
良好的金(jīn)線鍵合要(yào)求鍍(dù)金(jīn)層(céng)有一(yī)定的(de)厚度。爲此(cǐ)我們有各性化(huà)學鍍金方法分(fèn)别鍍取0.2至(zhì)0.68μm厚的金層，然後測定(dìng)其鍵(jiàn)合(hé)性(xìng)能。表(biǎo)4列出(chū)了不同金(jīn)層厚度時所得的平(píng)均拉力（average pull force）和(hé)斷裂(liè)模(mó)式（failure mode）。
表4化(huà)學鍍金層的厚(hòu)度(dù)對金線鍵合(hé)功能的影響
由(yóu)表4可見，當(dāng)化學鍍金(jīn)層厚度在(zài)0.2μm時，斷裂(liè)有(yǒu)時會(huì)出現在楔(xiē)形鍵(jiàn)上，有時在金(jīn)線上，這表明(míng)0.2μm厚度(dù)時的金(jīn)線(xiàn)鍵合功能(néng)是很差的(de)。當金層厚(hòu)度達(dá)0.25μm以上時，斷(duàn)裂均在金線上(shàng)，拉斷金線(xiàn)所(suǒ)需的平(píng)均拉力也很高，說明此時的鍵(jiàn)合功能已很好(hǎo)。在實際(jì)應用時(shí)，我們控(kòng)制化學鍍金(jīn)層的厚度(dù)在0.5-0.6μm，可比(bǐ)電鍍軟(ruǎn)金0.6-0.7μm略(luè)低，這是因(yīn)爲化學鍍(dù)金的(de)平整(zhěng)度(dù)比(bǐ)電鍍金的好(hǎo)，它不受電流分布(bù)的影(yǐng)響。
四  結論(lùn)
1 用中(zhōng)性化(huà)學鍍金取(qǔ)代弱酸(suān)性置換(huàn)鍍金時，它可以(yǐ)避免化學鍍鎳(niè)層的(de)腐蝕，從(cóng)而(ér)根本上消(xiāo)除了在化(huà)學鍍鎳/置(zhì)換鍍(dù)金層界面(miàn)上出現黑色焊(hàn)區或黑帶的問(wèn)題。
2 金(jīn)厚度在0.25至0.50μm的化學鍍鎳/中(zhōng)性化(huà)學鍍金層(céng)同時具有優良(liáng)的釺焊性(xìng)和金(jīn)線鍵合(hé)功(gōng)能，因(yīn)此它是理想的(de)電鍍鎳(niè)/電鍍金的替代工藝，适(shì)于細線、高密度(dù)印制(zhì)闆使用。
3 電(diàn)鍍鎳/電鍍金工藝不(bú)适(shì)于電路來導通(tōng)的印制闆，而(ér)中性化學(xué)鍍金無此限制，因而(ér)具有廣闊(kuò)的應用(yòng)前景。

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