印制闆鍍金(jin)工藝的釺焊(han)性和鍵合功(gong)能

    通常的置(zhi)換鍍金（IG）液能(neng)夠腐蝕化學(xue)鍍鎳（EN）層，其結(jie)果是形⚽成置(zhì)換金層，并将(jiang)磷殘留在化(huà)學鍍鎳層表(biao)面，使EN/IG兩♋層之(zhī)間容🆚易形成(chéng)黑色（焊）區（Black pad），它(ta)在焊接時常(cháng)造🐉成焊接不(bu)牢（Solder Joint Failure）金層利落(luo)（Peeling）。延長鍍金的(de)時間雖可得(de)加較厚的金(jīn)層，但金層的(de)結合力和鍵(jiàn)合性🌍能迅速(su)下🔴降。本文比(bi)較了各種印(yìn)制闆鍍金工(gōng)藝組合的釺(qiān)焊🈲性和鍵合(he)功能，探讨了(le)形成黑色焊(hàn)區的條件與(yu)機理，同時發(fa)現用中性化(huà)學鍍金是解(jiě)決印制闆化(huà)學鍍鎳/置換(huan)鍍金時出現(xian)黑色焊區問(wèn)題的有效方(fāng)法，也是取代(dài)電鍍鎳/電鍍(du)軟金工藝用(yong)于金線鍵合(hé)（Gold Wire Bonding）的有效工藝(yì)。
一  引言
    随着(zhe)電子設備的(de)線路設計越(yue)來越複雜，線(xiàn)路密度越來(lai)㊙️越🏃🏻‍♂️高，分🔞離的(de)線路和鍵合(he)點也越來越(yuè)多，許多複雜(za)的印🏃‍♀️制闆要(yào)求它的☁️最後(hòu)表面化處理(lǐ)（Final Surface Finishing）工藝具有更(gèng)多的功能🏃🏻。即(jí)制造工藝不(bú)僅可制成線(xiàn)更細，孔更小(xiao)，焊區更平的(de)鍍層，而且所(suǒ)形成的鍍👉層(ceng)必須是可焊(hàn)的、可鍵合的(de)、長壽的，并具(jù)有低的接觸(chu)電阻。[1]
    目前适(shì)于金線鍵合(hé)的鍍金工藝(yì)是電鍍鎳/電(dian)鍍軟金🥵工藝(yi)，它不⛹🏻‍♀️僅鍍層(céng)軟，純度高（最(zuì)高可達99．99%），而且(qie)具有優良🔴的(de)釺焊性和金(jin)線鍵合功能(néng)。遺憾的是它(tā)屬于電鍍型(xing)，不能用于非(fēi)導通線路的(de)印制闆，而要(yao)将多層闆的(de)所🍉有線路光(guāng)🈲導通，然後再(zai)複原，這😍需要(yào)花大量的人(ren)力和物力，有(you)時幾乎是不(bú)可能♊實現的(de)。[2]另外電鍍金(jin)層的厚度會(hui)随電鍍時✉️的(de)電流密度而(ér)異，爲🧑🏽‍🤝‍🧑🏻保證最(zui)低電流處🙇‍♀️的(de)厚度🔆，電流密(mi)度高處的鍍(du)層就要超過(guò)所要求的厚(hou)🔞度，這不僅提(ti)高了成🐆本，也(ye)爲随後的表(biǎo)面安裝帶來(lai)麻煩。
    化學鍍(dù)鎳/置換鍍金(jin)工藝是全化(hua)學鍍工藝，它(tā)可用于非👉導(dǎo)通🌈線路的印(yin)制闆。這種鍍(dù)層組合的釺(qian)焊性優良，但(dan)它隻适于鋁(lü)線鍵合而不(bú)适于金線鍵(jian)合。通常的置(zhì)換鍍金液是(shì)弱酸性的，它(ta)能腐蝕化學(xue)鍍鎳磷層（Ni2P）而(ér)形成置換鍍(du)金層，并将磷(lin)殘留在化學(xue)鍍鎳層表面(mian)，形成黑色（焊(han)）區（Black pad），它在焊接(jiē)焊常造成焊(hàn)接不牢（Solder Joint Failure）或金(jin)層脫落🤩（Peeling）。試圖(tú)通過延長鍍(dù)金時間，提高(gao)金層厚度來(lai)解決這些問(wen)題，結🔴果反而(ér)使金層的結(jié)合力和鍵合(he)功能明顯下(xia)降。[3]
    化學鍍鎳(nie)/化學鍍钯/置(zhi)換鍍金工藝(yi)也是全化學(xue)鍍🤟工藝，可用(yòng)于非導通線(xiàn)路的印制闆(pan)，而且鍵合功(gong)能優良，然而(er)釺焊性并不(bú)十✂️分好。開發(fa)這一新工藝(yi)的🌈早期目的(de)是用價廉的(de)🌏钯代替金，然(ran)而💁近年來钯(ba)價猛漲，已達(da)金價的3倍多(duo)，因此應用會(huì)越來越少。
    化(huà)學鍍金是和(hé)還原劑使金(jīn)絡離子直接(jiē)被還原爲金(jīn)屬金🍓，它并🈲非(fei)通過腐蝕化(hua)學鍍鎳磷合(hé)金層來沉🌂積(ji)金。因此用化(hua)學鍍鎳/化學(xue)鍍金工藝來(lái)取代化學鍍(dù)鎳/置換鍍金(jīn)工藝，就可以(yi)從根本上消(xiao)除因置換反(fan)應而引起的(de)黑色（焊）區問(wen)題。然而普通(tong)的市售化🚩學(xue)鍍金液大都(dōu)是酸性的（PH4-6），因(yīn)此它仍存在(zai)腐蝕化學鍍(du)鎳磷合金的(de)⭐反應。隻有中(zhong)性化學鍍金(jīn)才可避免置(zhì)換反應🔴。實驗(yàn)結🐆果表明，若(ruò)用化學鍍鎳(nie)/中性化學🐅鍍(dù)金或化學鍍(dù)鎳/置換鍍金(jīn)（<1min）/中性化學鍍(dù)金工藝，就可(kě)以獲得⛱️既無(wú)黑色焊區問(wèn)題，又具有優(yōu)良的釺焊性(xing)和鋁、金線鍵(jiàn)合功能的鍍(dù)層，它适于COB（Chip-on-Board）、BGA（Ball Grid Arrays）、MCM（Multi-Chip Modules）和(he)CSP（Chip Scale Packages）等高難度印(yìn)制闆的制造(zao)。
    自催化的化(huà)學鍍金工藝(yì)已進行了許(xǔ)多研究，大緻(zhi)可🐪分爲有氰(qíng)👄的和無氰的(de)兩類。無氰鍍(du)液的成本較(jiào)高，而且鍍液(yè)并不十分穩(wen)定。因此我們(men)開發了一種(zhǒng)㊙️以氰化金鉀(jia)爲金鹽的中(zhōng)性化學鍍金(jīn)工藝，并申請(qing)了專利。本文(wén)主要介紹中(zhong)性化學鍍金(jin)工藝與其它(tā)咱鍍金工藝(yi)組合的釺焊(hàn)性和鍵合功(gong)能。
   二  實驗
1 鍵(jian)合性能測試(shì)（Bonding Tests）
鍵合性能測(cè)試是在AB306B型ASM裝(zhuang)配自動熱聲(sheng)鍵合機（ASM Assembly Automation Thermosonic Bonding Machine ）上進(jìn)行。圖🤩1和圖2是(shì)鍵合測試的(de)結構圖。金線(xian)的一端被鍵(jiàn)♍合到金球上(shàng)（見圖2左邊），稱(cheng)🐕爲球鍵（Ball Bond）。金線(xian)的另一端則(zé)被鍵合到金(jin)焊區（Gold pad）（見圖2右(you)邊），稱爲楔形(xing)鏈（Wedge Bond），然後用金(jīn)屬挂鈎鈎🔴住(zhu)金線并用力(li)向上拉，直至(zhi)金線斷裂并(bìng)自動記下拉(lā)斷時的拉力(lì)。若斷裂在球(qiu)🛀🏻鍵或楔形鍵(jiàn)上，表示鍵合(hé)⛷️不合格。若是(shi)金線本身被(bei)拉斷，則表示(shì)😍鍵合良好，而(er)拉斷金線所(suǒ)需的平均拉(lā)力（Average Pull Force ）越大，表示(shi)鍵合強度越(yuè)高。
在本實驗(yàn)中，金球鍵的(de)鍵合參數是(shì)：時間45ms、超聲能(néng)量設定55、力55g；而(ér)楔形鍵的鍵(jiàn)合參數是：時(shí)間25ms、超聲能量(liang)設定180、力155。兩處(chu)♻️鍵合的操作(zuò)溫度爲140℃，金線(xiàn)直徑32μm（1．25mil）。
2 釺焊性(xing)測試（Solderability Testing）
釺焊性(xing)測試是在DAGE-BT 2400PC型(xing)焊料球剪切(qiē)試驗機（Millice Solder Ball Shear Test Machine）上進(jin)行。先在焊接(jiē)💔點上塗上助(zhu)焊劑，再放上(shàng)直徑0.5mm的焊料(liao)球，然後送入(rù)重🔞熔（Reflow）機上受(shòu)熱焊牢，最後(hòu)将機器的剪(jiǎn)切臂靠到焊(hàn)🥵料球上，用力(lì)向後推擠焊(han)料球，直至焊(hàn)料球㊙️被推離(li)焊料接點，機(jī)器會自動📐記(jì)錄推開✏️焊料(liao)球所需的剪(jiǎn)切力。所需剪(jiǎn)切力越大，表(biǎo)示焊接越牢(láo)。
3 掃描電鏡（SEM）和(hé)X-射線電子衍(yan)射能量分析(xī)（EDX）
用JSM-5310LV型JOEL掃描電(dian)鏡來分析鍍(dù)層的表面結(jié)構及剖面（Cross Section）結(jie)構，從金/鎳間(jiān)的剖面結構(gou)可以判斷是(shi)否存在黑帶(dai)🌈（Black band）或黑牙（Black Teeth）等問(wèn)題。EDX可以分析(xi)鍍層中各組(zu)成光素的相(xiang)對百分含量(liang)。
   三  結果與讨(tao)論
1 在化學鍍(du)鎳/置換鍍金(jīn)層之間黑帶(dai)的形成
将化(huà)學鍍鎳的印(yin)制闆浸入弱(ruò)酸性置換鍍(dù)金液中，置換(huàn)金☁️層将🔴在化(huà)學鍍鎳層表(biǎo)面形成。若小(xiao)心将置換金(jīn)🔴層剝掉，就❓會(hui)發現界🥵面上(shàng)有一層黑色(se)的鎳層，而在(zai)此黑色鎳層(céng)的下方，仍然(ran)存在未📱變黑(hēi)的化學鍍鎳(niè)層。有🏒時黑色(se)鎳層會深入(ru)到正常鍍鎳(niè)層的深處，若(ruò)這層深處的(de)黑色鎳層呈(cheng)帶狀，人們稱(cheng)之爲“黑💘帶”（Black band），黑(hēi)帶區磷含量(liang)高達12.84%，而在政(zhèng)黨化學鍍鎳(niè)區磷含量隻(zhi)有8.02%（見圖3）。在黑(hēi)帶上的金層(ceng)很容易被膠(jiao)帶粘住而🏃🏻剝(bāo)落（Peeling）。有時腐蝕(shí)形成的黑色(sè)鎳層呈牙狀(zhuàng)，人們稱之爲(wèi)“黑牙”（Black teeth）（見圖4）。
爲(wei)何在形成置(zhi)換金層的同(tong)時會形成黑(hei)色鎳層呢？這(zhè)要💋從置換反(fan)應的機理來(lai)解釋。大家知(zhi)道，化學鍍鎳(niè)層實際上是(shì)⚽鎳磷⁉️合金鍍(du)層（Ni2P）。在弱酸性(xìng)環境中它與(yu)金液中的金(jin)氰絡離子發(fā)生下列反應(ying)：
Ni2P+4[Au（CN）2]― →4Au+2[Ni（CN）4]2―+P
結果是金層(céng)的形成和鎳(niè)磷合金被金(jin)被腐蝕，其中(zhōng)鎳變成氰合(hé)鎳絡離子（Ni（CN）4）2―，而(er)磷則殘留在(zai)表面。磷的殘(cán)留将使化學(xué)鍍🌈鎳層變黑(hēi)，并使表面磷(lín)含量升高。爲(wèi)了重現這一(yi)現象，我們也(yě)發現若将化(hua)學鍍鎳層浸(jìn)入其它強腐(fu)蝕（Microetch）溶液中，它(tā)也同樣變黑(hei)。EDX分🏃🏻析表明，表(biao)面層的鎳含(han)量由78.8%下降至(zhi)48.4%，而磷的含量(liàng)則由8.56%上升到(dao)13.14%。
2 黑色（焊）區對(duì)釺焊性和鍵(jian)合功能的影(yǐng)響
在焊接過(guò)程中，金和正(zhèng)常鎳磷合金(jīn)鍍層均可以(yǐ)熔❌入焊🐆料之(zhī)✌️中，但殘留在(zài)黑色鎳層表(biao)面的磷卻不(bú)能遷移到金(jin)層并與焊料(liào)熔合。當大量(liang)黑色鎳層存(cún)在時，其表面(miàn)對焊料的潤(rùn)濕大爲減低(dī)，使焊接強度(dù)大大減弱。此(cǐ)外，由于置🈲換(huàn)鍍金層的純(chun)度與厚度（約(yue)0.1μm都很低。因此(ci)它最适于鋁(lǚ)線鍵合，而不(bú)能用于金線(xian)鍵合。
3置換鍍(du)金液的PH值對(dui)化學鍍鎳層(ceng)腐蝕的影響(xiang)
無電（解）鍍金(jīn)可通過兩種(zhong)途徑得到：
1） 通(tong)過置換反應(yīng)的置換鍍金(jīn)（Immtrsion Gold， IG）
2） 通過化學還(hái)原反應的化(hua)學鍍金（Electroless Gold，EG）
置換(huan)鍍金是通過(guo)化學鍍鎳磷(lín)層同鍍金液(yè)中的金氰絡(luo)離子的直接(jie)置換反應而(er)施現
Ni2P+4[Au（CN）2]―→4Au+2[Ni（CN）4]2―+P
如前所(suo)述，反應的結(jie)果是金的沉(chén)積鎳的溶解(jiě)，不反🐆應的磷(lín)則殘留在化(huà)學鍍鎳層的(de)表面，并在金(jīn)/鎳界面上形(xing)成黑區（黑帶(dài)、黑牙…等形狀(zhuàng)）。
另一方面，化(hua)學鍍金層是(shi)通過金氰絡(luo)離子接被次(cì)磷酸根✏️還原(yuan)而形成的
2[Au（CN）2]―+H2PO―2 +H2O→2Au +A2PO―3 +4CN―+H2↑
反(fan)應的結果是(shi)金離子被還(hái)爲金屬金，而(er)還原劑次磷(lin)酸根被氧化(huà)爲亞磷酸根(gen)。因此，這與反(fan)應并不涉🔴及(jí)到化學鍍鎳(niè)磷合👈金的🤞腐(fu)蝕或磷的殘(can)留，也就不會(hui)有黑區問題(tí)。
表1用SEM剖面分(fen)析來檢測各(ge)種EN/金組合的(de)黑帶與腐蝕(shi)
結果表明，黑(hei)帶（Black Band）或黑區（Black pad）問(wèn)題主要取決(jué)于鍍金溶液(yè)的PH值🌍。PH值越❓低(dī)，它對化學鍍(du)鎳層的腐蝕(shí)越快，也越容(róng)易形成黑帶(dài)。若用一步中(zhōng)性化學鍍金(jin)（EN/EG-1）或兩步中性(xing)💞化學鍍金（EN/EG-1/EG-2），就(jiù)不再觀察到(dào)腐蝕或黑帶(dài)，也就不會出(chū)現焊接不牢(lao)的問題。
4各種(zhong)印制闆鍍金(jin)工藝組合的(de)釺焊性比較(jiao)
表2是用焊料(liào)球剪切試驗(yàn)法（Solder Ball Shear Test）測定各種(zhong)印制闆鍍金(jin)工藝組合🔴所(suo)得鍍層釺焊(hàn)性的結果。表(biao)中的斷裂模(mo)式（Failure mode）1表木焊料(liao)從金焊點（Gold pad）處(chù)斷裂；斷裂模(mó)式2表示斷裂(liè)發生在焊球(qiú)本身。
表2各種(zhǒng)印制闆鍍金(jīn)工藝組合所(suo)得鍍層的釺(qian)焊性比㊙️較
表(biao)2的結果表明(míng)，電鍍鎳/電鍍(du)軟金具有最(zui)高的剪切強(qiáng)度（1370g）或最牢❌的(de)焊接。化學鍍(du)鎳/中性化學(xué)鍍金/中性化(huà)學⭐鍍金也顯(xian)示非常好的(de)剪切強度要(yao)大于800g。
5各種印(yin)制闆鍍金工(gōng)藝組合的金(jīn)線鍵合功能(neng)比較
表3是用(yong)ASM裝配自動熱(re)聲鍵合機測(ce)定各種印制(zhi)闆鍍金工藝(yi)組👌合所得鍍(dù)層的金線鍵(jiàn)合測試結果(guǒ)。
表3各種印制(zhi)闆鍍金工藝(yì)組合所得鍍(du)層的金線鍵(jian)合測試㊙️結⁉️果(guǒ)
由表3可見，傳(chuán)統的化學鍍(dù)鎳/置換鍍金(jīn)方法所得的(de)鍍層🐉組合，有(yǒu)8個點斷裂在(zài)金球鍵（Ball Bond）處，有(you)2個點斷裂在(zai)楔形鍵（Wedge Bond）或❄️印(yìn)制🐪的鍍金焊(hàn)⭐點上（Gold Pad），而良好(hǎo)的鍵合是不(bú)允許有一點(dian)斷🌈裂在球鍵(jian)與楔形鍵處(chu)。這說明化學(xue)鍍鎳/置換🚶‍♀️鍍(du)金工藝是不(bu)能用于金線(xiàn)鍵合。化學鍍(dù)鎳/中性化學(xué)鍍金/中性化(hua)學鍍金工藝(yì)所得鍍層的(de)鍵合功能是(shì)優良的，它與(yǔ)化學鍍鎳/化(huà)學鍍钯/置換(huàn)鍍金以及電(diàn)鍍鎳/電鍍金(jīn)的鍵合性能(neng)相當。我們認(ren)出🈲這是因爲(wèi)化學鍍⭕金層(ceng)有較高的純(chún)度（磷不合共(gong)沉積）和較低(di)硬度（98VHN25）的緣故(gu)。
6化學鍍金層(céng)的厚度對金(jin)線鍵合功能(néng)的影響
良好(hao)的金線鍵合(hé)要求鍍金層(céng)有一定的厚(hòu)度。爲此❓我們(men)有各💚性化學(xue)鍍金方法分(fen)别鍍取0.2至0.68μm厚(hou)的金層，然後(hou)測定‼️其鍵合(hé)性能。表4列出(chu)了不同金層(céng)厚度時所得(de)的🆚平均拉力(lì)（Average Pull Force）和斷裂模式(shi)（Failure Mode）。
表4化學鍍金(jīn)層的厚度對(dui)金線鍵合功(gong)能的影響
由(yóu)表4可見，當化(hua)學鍍金層厚(hou)度在0.2μm時，斷裂(liè)有時會出🔱現(xian)在🌂楔形鍵上(shàng)，有時在金線(xiàn)上，這表明0.2μm厚(hou)度時的金線(xian)鍵合功能是(shì)很差🔴的。當金(jin)層厚度達0.25μm以(yi)上時，斷裂均(jun)在金線上，拉(la)斷金線所需(xu)的平均拉🛀🏻力(li)也很高，說明(míng)此時的鍵合(hé)功能已很好(hǎo)。在實際應用(yong)時，我們控制(zhì)化學鍍金層(ceng)的厚度在0.5-0.6μm，可(ke)比電鍍軟金(jīn)0.6-0.7μm略低，這是🈲因(yīn)爲化學鍍金(jīn)的平整度比(bi)電鍍金的好(hao)，它不受電💃流(liú)分布的影響(xiang)。
四  結論
1 用中(zhōng)性化學鍍金(jin)取代弱酸性(xing)置換鍍金時(shi)，它可以避免(miǎn)☔化學鍍💋鎳層(ceng)的腐蝕，從而(er)根本上消除(chú)了在化學鍍(du)鎳/置換鍍🌐金(jīn)層界面上出(chū)現黑色焊區(qu)或黑帶的問(wen)題。
2 金厚度在(zai)0.25至0.50μm的化學鍍(du)鎳/中性化學(xué)鍍金層同時(shi)具有🌈優良的(de)釺焊性和金(jīn)線鍵合功能(néng)，因此它是理(lǐ)想👉的電鍍鎳(niè)🔆/電鍍金的替(ti)代♊工藝，适于(yu)細線、高密度(du)印制闆使用(yòng)。
3 電鍍鎳/電鍍(dù)金工藝不适(shi)于電路來導(dao)通的印制闆(pan)🤩，而中性化學(xue)🌐鍍金無此限(xian)制，因而具有(yǒu)廣闊的應用(yong)前景。

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