印制闆(pǎn)鍍金工藝的釺(qian)焊性和鍵合功(gong)能

    通(tong)常的置換鍍金(jīn)（IG）液能夠腐蝕化(hua)學鍍鎳（EN）層，其結(jie)果是形🔆成置換(huàn)🈚金層，并将磷殘(cán)留在化學鍍鎳(niè)層表面，使EN/IG兩層(céng)之間容易形✂️成(cheng)黑色（焊）區（Black pad），它在(zai)焊接時常造成(chéng)焊接不牢（Solder Joint Failure）金層(céng)利落🌐（Peeling）。延長鍍金(jin)的時間雖可得(dé)加較厚的金層(céng)，但金層的結合(he)力和鍵合性能(neng)迅速下📐降。本文(wén)比較了各種印(yìn)制闆鍍金工藝(yi)🥰組合的釺焊性(xing)和鍵合功能🎯，探(tan)讨了形成黑色(sè)焊區的條件與(yǔ)機理，同時發現(xian)用中性化學鍍(dù)金是解✉️決印制(zhì)闆化學鍍鎳/置(zhì)換鍍金時出🙇‍♀️現(xiàn)黑色焊區問題(ti)的🐉有效方法，也(yě)是取代電鍍鎳(nie)/電鍍軟金工⛹🏻‍♀️藝(yì)用于金線鍵合(he)（Gold Wire Bonding）的🔴有效工藝。
一(yi)  引言
    随着電子(zi)設備的線路設(shè)計越來越複雜(za)，線路密度越來(lái)越高，分離的線(xian)路和鍵合點也(yě)越來越多，許多(duo)☀️複雜的印制闆(pan)要求它的最後(hou)表面化處理（Final Surface Finishing）工(gong)藝具有更多的(de)功能。即制造工(gōng)藝不僅可制成(cheng)線更細，孔更小(xiǎo)，焊區更平的鍍(dù)層，而且所形成(chéng)的鍍層必須是(shì)可焊的、可鍵合(hé)的、長壽的，并具(jù)有低的接觸電(diàn)阻。[1]
    目前适于金(jin)線鍵合的鍍金(jin)工藝是電鍍鎳(niè)/電鍍軟金工藝(yì)，它不僅鍍層軟(ruan)，純度高（最高可(kě)達99．99%），而且具有優(yōu)良的釺焊性和(hé)金線鍵合功能(neng)。遺憾的是它屬(shu)于電鍍型，不能(neng)用于非導通線(xiàn)路的印制闆，而(er)要将多層闆的(de)所有線路光導(dǎo)通，然後再複原(yuan)，這需要花大💰量(liàng)的人力和物力(lì)，有時幾‼️乎是不(bu)可能實現的。[2]另(lìng)外電鍍金層的(de)厚度會随電鍍(du)時🈲的電流密度(dù)而異，爲保證最(zui)低電流處的厚(hou)度，電流密度高(gao)處的鍍層就要(yào)超過所要求的(de)厚度，這不僅提(tí)高了成本，也爲(wei)随後的表面安(an)裝帶來麻💛煩。
    化(hua)學鍍鎳/置換鍍(dù)金工藝是全化(huà)學鍍工藝，它可(kě)用于非導通線(xiàn)路的印制闆。這(zhè)種鍍層組合的(de)釺焊性優良，但(dan)它隻适💋于鋁線(xian)鍵合而不适于(yú)金線鍵合。通常(chang)的置換鍍金液(ye)是弱酸性的🔞，它(tā)能腐蝕化學鍍(dù)鎳磷層（Ni2P）而形成(cheng)置換鍍金層，并(bing)将磷殘留在化(huà)學鍍鎳層表面(mian)，形成黑色（焊）區(qu)（Black pad），它在焊接焊常(cháng)造成焊接不牢(láo)（Solder Joint Failure）或金層脫落📱（Peeling）。試(shì)圖通過延長鍍(dù)金時間，提高金(jin)層厚度來解決(jué)這些📧問題，結果(guo)反而使金層的(de)結合力和鍵合(hé)功能明顯下💜降(jiang)。[3]
    化學鍍鎳/化學(xué)鍍钯/置換鍍金(jīn)工藝也是全化(hua)學鍍工藝，可用(yòng)于非導通線路(lu)的印制闆，而且(qiě)鍵合功能優良(liáng)，然而釺焊性并(bing)♋不十分好。開發(fā)這一新工藝的(de)早期目的是用(yòng)價廉的钯代替(tì)🌍金，然而近年來(lai)钯價猛漲，已達(dá)金價的3倍多，因(yin)此應用會越來(lái)🏒越少。
    化學鍍金(jin)是和還原劑使(shi)金絡離子直接(jiē)被還原爲金屬(shu)🌈金，它并非通過(guò)腐蝕化學鍍鎳(nie)磷合金層來沉(chén)積金。因此用化(hua)學鍍鎳/化學鍍(du)金工藝來取代(dai)化學鍍鎳/置♊換(huan)鍍金工藝，就🔞可(ke)以從根本上消(xiāo)除因置換💋反應(yīng)而引起的黑色(se)👨‍❤️‍👨（焊）區問題。然而(er)普通的市售化(huà)✍️學鍍金液大都(dōu)是酸性的（PH4-6），因此(cǐ)它仍存在腐蝕(shí)化學鍍鎳磷合(he)金的反應。隻有(you)中性化學鍍金(jīn)才可🐪避免🌈置換(huàn)反應。實驗結果(guo)表明，若用化學(xué)鍍鎳/中性化學(xue)鍍金或化學鍍(du)鎳/置換鍍金（<1min）/中(zhōng)性化學鍍金工(gong)藝，就可以獲得(de)既無黑色焊區(qu)問題，又具有優(yōu)良的💚釺焊⛱️性和(hé)鋁、金線鍵合功(gong)能的鍍層，它适(shi)于COB（Chip-on-Board）、BGA（Ball Grid Arrays）、MCM（Multi-Chip Modules）和CSP（Chip Scale Packages）等高難度(dù)💋印制闆的制🏃造(zao)。
    自催化的化學(xue)鍍金工藝已進(jin)行了許多研究(jiu)，大緻可分爲🏃🏻‍♂️有(yǒu)氰🈲的和無氰的(de)兩類。無氰鍍液(ye)的成本較📞高，而(er)且鍍液并不十(shi)分穩定。因此我(wǒ)們開發了一種(zhǒng)以氰化金鉀爲(wei)金鹽的中性化(hua)😘學鍍金🏃🏻‍♂️工藝，并(bing)申請🐅了專利。本(ben)文主要介紹中(zhong)性化學鍍金工(gong)❌藝與其它✉️咱鍍(dù)金工藝組合的(de)釺焊❌性和鍵合(hé)功能。
   二  實驗
1 鍵(jiàn)合性能測試（Bonding Tests）
鍵(jian)合性能測試是(shì)在AB306B型ASM裝配自動(dòng)熱聲鍵合機（ASM Assembly Automation Thermosonic Bonding Machine ）上(shàng)進行。圖🥵1和圖2是(shì)鍵合測試的結(jie)構圖。金線的一(yī)端被鍵🔞合到🔅金(jin)球💯上（見圖2左邊(bian)），稱爲球鍵（Ball Bond）。金線(xiàn)的另一端則被(bèi)鍵合到金焊區(qū)（Gold pad）（見圖2右邊），稱爲(wèi)楔形鏈（Wedge Bond），然後用(yòng)金屬挂鈎鈎住(zhù)金線并用力向(xiang)上🌈拉，直至金線(xiàn)斷裂并自動記(jì)下拉斷時的拉(la)力。若斷裂在球(qiú)鍵或楔形鍵🏃‍♂️上(shang)，表示鍵合不合(he)格。若是金線本(ben)身被拉斷，則表(biǎo)示鍵合良好㊙️，而(ér)拉斷金線所需(xu)的平均拉力（Average Pull Force ）越(yuè)大，表示🌂鍵合強(qiang)度越高。
在本實(shi)驗中，金球鍵的(de)鍵合參數是：時(shí)間45ms、超聲能量設(she)定55、力55g；而💛楔形鍵(jian)的鍵合參數是(shì)：時間25ms、超聲能量(liang)設定180、力155。兩處鍵(jian)合的操作溫度(du)爲140℃，金線直徑32μm（1．25mil）。
2 釺(qian)焊性測試（Solderability Testing）
釺焊(hàn)性測試是在DAGE-BT 2400PC型(xing)焊料球剪切試(shì)驗機（Millice Solder Ball Shear Test Machine）上進行。先(xiān)在焊接點上塗(tú)上助焊劑，再放(fàng)上直徑0.5mm的焊料(liao)球，然後送入重(zhong)熔（Reflow）機上受熱焊(han)牢，最後将機器(qì)的剪切臂靠到(dào)焊料球上，用力(lì)向後推擠🛀🏻焊料(liào)球，直至焊料球(qiu)被推離焊料接(jie)點，機器會自動(dong)記錄推開🤩焊料(liào)球所需的剪切(qie)力。所需剪切力(li)越大，表示焊接(jie)越牢。
3 掃描電鏡(jìng)（SEM）和X-射線電子衍(yan)射能量分析（EDX）
用(yòng)JSM-5310LV型JOEL掃描電鏡來(lái)分析鍍層的表(biǎo)面結構及剖面(miàn)（Cross Section）結構，從💃金/鎳間(jian)🌂的剖面結構可(ke)以判斷是否存(cún)在黑帶（Black band）或黑牙(ya)（Black Teeth）等問題。EDX可以分(fèn)析🧑🏾‍🤝‍🧑🏼鍍層中各組(zu)成光素的相對(dui)百分含量。
   三  結(jié)果與讨論
1 在化(hua)學鍍鎳/置換鍍(dù)金層之間黑帶(dai)的形成
将化學(xue)鍍鎳的印制闆(pǎn)浸入弱酸性置(zhì)換鍍金液中，置(zhi)換金層将在化(hua)學鍍鎳層表面(mian)形成。若小心将(jiang)置換金層剝掉(diào)，就會發❤️現界✍️面(mian)上有一層黑色(se)的鎳層👣，而在此(ci)黑色鎳層的下(xia)方，仍然存在未(wei)🏃‍♂️變黑的化學🚶鍍(du)鎳層。有時黑色(sè)鎳💃層會深入到(dao)正常鍍鎳層的(de)深⭐處，若這層深(shēn)處的黑色鎳層(ceng)呈帶狀，人們稱(cheng)之爲“黑‼️帶”（Black band），黑帶(dài)區磷🈚含量高達(dá)12.84%，而在政⁉️黨化學(xue)鍍鎳區磷含😘量(liàng)隻有8.02%（見圖3）。在黑(hēi)⛷️帶上的金層很(hen)容易被膠帶粘(zhān)住而🍓剝落（Peeling）。有時(shi)腐蝕形🤩成的黑(hei)色鎳層呈牙狀(zhuàng)，人們稱之爲“黑(hei)牙💃🏻”（Black teeth）（見圖4）。
爲何在(zai)形成置換金層(ceng)的同時會形成(cheng)黑色鎳層呢？這(zhe)🤩要從置換反應(ying)的機理來解釋(shì)。大家知道，化學(xue)鍍鎳層☎️實際上(shàng)是🧡鎳磷合金鍍(dù)層（Ni2P）。在弱酸性環(huán)境中它與金液(ye)中的金氰絡離(lí)子發生下列反(fǎn)應：
Ni2P+4[Au（CN）2]― →4Au+2[Ni（CN）4]2―+P
結果是金層(ceng)的形成和鎳磷(lín)合金被金被腐(fu)蝕，其中鎳🏃‍♀️變成(cheng)氰合鎳絡離子(zi)（Ni（CN）4）2―，而磷則殘留在(zài)表面。磷的殘留(liú)将使化學鍍鎳(nie)層變黑，并使表(biǎo)面磷含量升高(gāo)。爲了重現這一(yi)現象，我們也發(fā)現若将化學鍍(dù)鎳層浸🤟入其它(ta)強腐蝕（Microetch）溶液中(zhong)，它也同樣變黑(hēi)。EDX分析表明，表面(mian)層的鎳含量由(you)78.8%下降至48.4%，而磷的(de)含量👣則由8.56%上升(sheng)到13.14%。
2 黑色（焊）區對(dui)釺焊性和鍵合(hé)功能的影響
在(zài)焊接過程中，金(jin)和正常鎳磷合(he)金鍍層均可以(yi)熔入焊料✊之中(zhong)，但殘留在黑色(sè)鎳層表面的磷(lín)卻不能遷移到(dao)金層并與焊料(liao)熔合。當大量黑(hei)色鎳層存在🌂時(shi)，其表面對焊🌈料(liao)的潤😍濕大爲減(jian)低，使焊接強度(dù)大大減弱。此外(wài)，由于置換鍍金(jīn)層的純度與厚(hòu)度（約0.1μm都很低。因(yin)此它最适于鋁(lǚ)線鍵合，而不能(neng)用于金線鍵☔合(hé)。
3置換鍍金液的(de)PH值對化學鍍鎳(nie)層腐蝕的影響(xiang)
無電（解）鍍金可(ke)通過兩種途徑(jing)得到：
1） 通過置換(huàn)反應的置換鍍(du)金（Immtrsion Gold， IG）
2） 通過化學還(hái)原反應的化學(xue)鍍金（Electroless Gold，EG）
置換鍍金(jin)是通過化學鍍(dù)鎳磷層同鍍金(jīn)液中的金氰絡(luò)離子的直接置(zhì)換反應而施現(xian)
Ni2P+4[Au（CN）2]―→4Au+2[Ni（CN）4]2―+P
如前所述，反應(ying)的結果是金的(de)沉積鎳的溶解(jiě)，不反應的磷則(ze)殘留在化學鍍(du)鎳層的表面，并(bing)在金/鎳界面上(shàng)🤟形成黑區（黑帶(dài)♊、黑牙…等形狀）。
另(ling)一方面，化學鍍(du)金層是通過金(jin)氰絡離子接被(bèi)次磷酸根☎️還原(yuan)而形成的
2[Au（CN）2]―+H2PO―2 +H2O→2Au +A2PO―3 +4CN―+H2↑
反應(ying)的結果是金離(li)子被還爲金屬(shu)金，而還原劑次(ci)磷酸根🈲被氧化(huà)爲亞磷酸根。因(yīn)此，這與反應并(bing)不涉及到化學(xué)鍍鎳❤️磷合金的(de)🤟腐蝕或磷的殘(can)留，也就不會有(you)黑😘區問題。
表1用(yòng)SEM剖面分析來檢(jiǎn)測各種EN/金組合(he)的黑帶與腐蝕(shí)
結果表明，黑帶(dài)（Black Band）或黑區（Black pad）問題主(zhu)要取決于鍍金(jīn)溶液的PH值♋。PH值🤟越(yue)低，它對化學鍍(du)鎳層的腐蝕越(yuè)快，也越容易形(xíng)成黑帶。若用一(yi)步中性化學鍍(dù)金（EN/EG-1）或兩步中性(xing)化學鍍金（EN/EG-1/EG-2），就不(bú)再觀察💜到腐蝕(shí)或黑帶，也就不(bú)會出現焊接不(bú)牢的問題。
4各種(zhǒng)印制闆鍍金工(gong)藝組合的釺焊(han)性比較
表2是用(yòng)焊料球剪切試(shì)驗法（Solder Ball Shear Test）測定各種(zhǒng)印制闆鍍金工(gong)藝組合所得鍍(du)層釺焊性的結(jie)果。表中的斷裂(lie)模式（Failure mode）1表木焊料(liao)從金焊點（Gold pad）處斷(duan)裂；斷裂模式2表(biǎo)示斷裂發生在(zài)📞焊球本身。
表2各(gè)種印制闆鍍金(jīn)工藝組合所得(de)鍍層的釺焊性(xìng)比較
表2的結果(guǒ)表明，電鍍鎳/電(diàn)鍍軟金具有最(zui)高的剪切強度(dù)（1370g）或最牢的焊接(jiē)。化學鍍鎳/中性(xìng)化學鍍金/中性(xìng)化學鍍金也顯(xian)示非🔞常好的剪(jian)切強度要大于(yú)800g。
5各種印制闆鍍(du)金工藝組合的(de)金線鍵合功能(néng)比較
表3是用ASM裝(zhuang)配自動熱聲鍵(jiàn)合機測定各種(zhǒng)印制闆鍍金工(gong)藝組👅合所得鍍(dù)層的金線鍵合(he)測試結果。
表3各(ge)種印制闆鍍金(jin)工藝組合所得(de)鍍層的金線鍵(jian)合🐕測🛀🏻試結果🐪
由(yóu)表3可見，傳統的(de)化學鍍鎳/置換(huàn)鍍金方法所得(dé)的鍍層組✉️合，有(you)8個點斷裂在金(jīn)球鍵（Ball Bond）處，有2個點(diǎn)斷裂在♻️楔形鍵(jian)（Wedge Bond）或印制的鍍金(jīn)焊點上（Gold Pad），而良好(hǎo)的鍵合是不🈲允(yǔn)許有一點斷裂(liè)在球鍵與楔形(xíng)鍵處。這說明化(huà)學鍍鎳/置換鍍(du)金工藝是不能(neng)用于金線鍵合(hé)。化學鍍鎳/中性(xìng)化學📱鍍金/中性(xìng)化學鍍金工藝(yi)所得鍍層的鍵(jian)合功能是優良(liang)的，它與化學鍍(du)鎳/化學鍍钯/置(zhi)換鍍金以及電(diàn)鍍鎳/電鍍金🌏的(de)鍵合性能相當(dang)。我們認出這是(shi)因爲化學鍍金(jīn)層有較高的純(chun)度（磷不合共沉(chen)積）和較🏃🏻‍♂️低硬度(dù)（98VHN25）的緣故。
6化學鍍(du)金層的厚度對(duì)金線鍵合功能(néng)的影響
良好的(de)金線鍵合要求(qiú)鍍金層有一定(dìng)的厚度。爲此我(wo)們有各性化學(xué)鍍金方法分别(bie)鍍取0.2至0.68μm厚的金(jin)層，然後測定其(qi)鍵合性能。表4列(lie)出了不同金層(céng)厚度時😄所得的(de)平均拉力（Average Pull Force）和斷(duan)裂模式（Failure Mode）。
表4化學(xué)鍍金層的厚度(du)對金線鍵合功(gong)能的影響
由表(biao)4可見，當化學鍍(du)金層厚度在0.2μm時(shí)，斷裂有時會出(chu)現在楔形鍵👨‍❤️‍👨上(shàng)，有時在金線上(shàng)，這表明0.2μm厚度時(shí)的金線鍵合功(gong)能是很差⛷️的。當(dāng)🈲金層厚度達0.25μm以(yi)上時，斷裂☔均在(zai)金線上，拉斷金(jīn)線所需的平均(jun1)拉力也很高，說(shuō)明此時的鍵合(hé)功能已很好。在(zai)實際應用⛷️時，我(wǒ)們控制化學鍍(dù)金層的厚度在(zai)0.5-0.6μm，可比電鍍軟金(jīn)0.6-0.7μm略低，這是因爲(wèi)化學鍍金✍️的平(ping)整度比電鍍金(jīn)的好，它不🏃🏻受電(diàn)流分布的影響(xiang)。
四  結論
1 用中性(xing)化學鍍金取代(dai)弱酸性置換鍍(dù)金時，它可以避(bi)♉免💁化🔅學鍍鎳層(ceng)的腐蝕，從而根(gen)本上消除了在(zài)化學鍍鎳/置換(huàn)鍍🐉金層界面上(shang)出現黑色焊區(qū)或黑帶🔞的問題(ti)。
2 金厚度在0.25至0.50μm的(de)化學鍍鎳/中性(xìng)化學鍍金層同(tong)時具有優🔞良的(de)釺焊性和金線(xiàn)鍵合功能，因此(cǐ)它是理想🌈的電(dian)鍍鎳/電鍍金的(de)替代工藝，适于(yu)細線、高密度印(yin)制闆使用。
3 電鍍(du)鎳/電鍍金工藝(yì)不适于電路來(lái)導通的印制闆(pan)，而中性化學鍍(dù)金無此限制，因(yin)而具有廣闊的(de)應用前景。

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