印制闆(pǎn)鍍金工藝的釺(qian)焊性和鍵合功(gong)能

    通(tōng)常的置換鍍金(jīn)（IG）液能夠腐蝕化(huà)學鍍鎳（EN）層，其結(jié)果是🙇🏻形成置換(huàn)金層，并将磷殘(can)留在化學鍍鎳(nie)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(ceng)利落✊（Peeling）。延長鍍金(jin)的時間雖可得(de)加較厚的金層(céng)，但金層的結合(hé)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(xìng)和鍵合功能❄️，探(tan)讨了形成黑色(se)焊區的條件與(yu)機‼️理，同時發現(xiàn)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(yi)用于金線鍵合(he)（Gold Wire Bonding）的有效工藝。
一(yī)  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(lai)越高，分離的線(xiàn)路和鍵合點也(ye)越來越多，許多(duō)複雜的印🔞制闆(pǎn)要求它的♊最後(hou)表面化處理（Final Surface Finishing）工(gōng)藝具✊有更多的(de)功能。即制造工(gong)藝不僅可制成(chéng)線更細，孔更小(xiao)，焊區更平的鍍(du)層，而且所形成(cheng)的鍍層必須是(shi)可焊的、可鍵合(he)的、長壽的，并具(ju)有低的接觸電(dian)阻。[1]
    目前适于金(jīn)線鍵合的鍍金(jin)工藝是電鍍鎳(niè)/電鍍軟金🍉工🤩藝(yi)，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(he)金線鍵合功能(néng)。遺憾的是它屬(shǔ)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(yuán)，這需要花大量(liang)的人力和⛷️物力(li)，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(hòu)度，電流密度高(gāo)處的鍍層就要(yao)超過所要求的(de)厚👣度，這不僅提(tí)高了成本，也爲(wèi)随後的表面安(an)裝帶來麻煩。
    化(hua)學鍍鎳/置換鍍(du)金工藝是全化(hua)學鍍工藝，它可(ke)用于非導💯通線(xian)路的印制闆。這(zhe)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(du)鎳🛀磷層（Ni2P）而形成(cheng)置換鍍金層，并(bìng)将磷殘留在♋化(hua)學鍍鎳☁️層表面(miàn)，形成黑色（焊）區(qū)（Black pad），它📞在焊接焊常(chang)造成焊接不牢(lao)（Solder Joint Failure）或金層脫落（Peeling）。試(shi)圖通過延長鍍(dù)金時間，提高金(jīn)層厚度來解決(jue)這些問題，結🙇‍♀️果(guo)反而使金層的(de)結合力🈲和鍵合(he)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(yong)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(bìng)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(ti)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(lai)越少。
    化學鍍金(jīn)是和還原劑使(shi)金絡離子直接(jie)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(dù)金工藝來取代(dài)化學鍍鎳/置換(huan)鍍金工藝，就可(kě)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(ér)普通的市售化(hua)學鍍金液大都(dou)是酸性的（PH4-6），因此(ci)它仍存在腐蝕(shi)化學鍍鎳磷合(he)金🤞的反應。隻有(yǒu)中性化學鍍金(jīn)才可🌏避免置換(huan)反應。實驗結果(guo)表明，若用化學(xué)鍍鎳/中性化學(xué)鍍金或化學鍍(dù)鎳/置換鍍金（<1min）/中(zhōng)性化學鍍金工(gōng)藝，就可以獲得(dé)既無黑色焊區(qu)問題，又具有優(you)良的👅釺焊性和(he)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(du)印制闆的制🔞造(zào)。
    自催化的化學(xue)鍍金工藝已進(jin)行了許多研究(jiū)，大緻⭐可分🔞爲🔞有(you)氰的和無氰的(de)兩類。無氰鍍液(yè)的成本較🔴高，而(er)✨且鍍液并♋不十(shi)分穩定。因此我(wo)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(bìng)申請了專利。本(ben)文主要介🚶‍♀️紹中(zhōng)性化學鍍金工(gōng)藝與其它🤩咱鍍(du)金工藝組合的(de)釺焊性和鍵合(he)功👉能。
   二  實驗
1 鍵(jian)合性能測試（Bonding Tests）
鍵(jian)合性能測試是(shi)在AB306B型ASM裝配自動(dòng)熱聲鍵合機（ASM Assembly Automation Thermosonic Bonding Machine ）上(shang)進🌈行。圖1和圖2是(shi)鍵合測試的結(jie)構圖。金線的一(yi)端被鍵合到金(jin)球上（見圖2左💃🏻邊(bian)），稱爲球鍵（Ball Bond）。金線(xian)的另一端則被(bei)鍵合到金焊區(qū)（Gold pad）（見圖♊2右邊），稱⭐爲(wei)楔形🥵鏈（Wedge Bond），然後用(yong)金屬挂鈎鈎🐕住(zhù)金線并用力向(xiàng)上拉，直至金線(xian)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(biao)示鍵合良好，而(er)拉斷金線所需(xu)的平均拉力（Average Pull Force ）越(yuè)大，表示鍵合強(qiáng)度越高。
在本實(shi)驗中，金球鍵的(de)鍵合參數是：時(shi)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(jiàn)合的操作溫度(du)爲140℃，金線直徑32μm（1．25mil）。
2 釺(qiān)焊性測試（Solderability Testing）
釺焊(han)性測試是在DAGE-BT 2400PC型(xing)焊料球剪切試(shi)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(fang)上直徑0.5mm的焊料(liao)球，然後送入重(zhòng)🧡熔（Reflow）機上受熱焊(hàn)牢，最後将機器(qì)的剪切臂靠到(dao)焊料球上，用力(li)向後推擠焊料(liao)球，直至焊料球(qiú)被推離焊料接(jie)點，機♋器會自動(dòng)記錄推開焊料(liao)球所🌈需的剪切(qiē)力。所需剪切力(li)越大，表示焊接(jie)越牢。
3 掃描電鏡(jing)（SEM）和X-射線電子衍(yǎn)射能量分析（EDX）
用(yong)JSM-5310LV型JOEL掃描電鏡來(lai)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(kě)以判斷是否存(cún)在黑帶（Black band）或黑牙(yá)（Black Teeth）等問題。EDX可以分(fèn)析鍍層中各組(zǔ)成光素的相🌂對(duì)百分含量。
   三  結(jie)果與讨論
1 在化(huà)學鍍鎳/置換鍍(du)金層之間黑帶(dài)的形成
将化學(xué)鍍鎳的印制闆(pan)浸入弱酸性置(zhi)換鍍金液中，置(zhi)換金層将㊙️在化(hua)學鍍鎳層表面(miàn)形成。若小心将(jiāng)置換金層剝掉(diào)，就會發㊙️現界面(mian)上有一層黑色(sè)的鎳層，而在此(cǐ)黑色鎳層的下(xià)方，仍然存在未(wèi)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(shen)㊙️處的黑色鎳層(ceng)呈帶狀，人們稱(cheng)之爲“黑♌帶”（Black band），黑帶(dai)區磷含量高達(dá)12.84%，而在政黨化學(xué)鍍鎳區☂️磷含🔱量(liang)隻有8.02%（見圖3）。在黑(hēi)帶上的金層很(hěn)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(zhuang)，人們稱之爲“黑(hēi)牙”（Black teeth）（見圖4）。
爲何在(zài)形成置換金層(ceng)的同時會形成(cheng)黑色鎳層呢？這(zhè)☎️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(shang)是鎳磷🚶‍♀️合金鍍(dù)層（Ni2P）。在弱酸性環(huán)境中它🈲與金液(yè)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(lin)合金被金被腐(fu)蝕，其中鎳變成(chéng)氰合鎳絡離子(zi)（Ni（CN）4）2―，而磷則殘留在(zài)表面。磷的殘👌留(liu)将㊙️使化學鍍鎳(nie)層變黑，并使表(biao)面磷含量升高(gāo)。爲了重現這一(yī)現象，我們也發(fā)現若将化學鍍(du)鎳層浸🈲入其它(tā)強腐蝕（Microetch）溶液中(zhong)，它也同✔️樣變黑(hēi)。EDX分析表明，表面(miàn)層的鎳含量由(yóu)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(he)功能的影響
在(zai)焊接過程中，金(jīn)和正常鎳磷合(he)金鍍層均可以(yǐ)熔入焊🤩料之中(zhong)💋，但殘留在黑色(sè)鎳層表面的磷(lin)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(liào)的潤濕大爲減(jiǎn)低，使🔞焊接強度(du)大大減弱。此外(wài)，由于置換鍍金(jin)層的純度與✏️厚(hou)度（約0.1μm都很低。因(yīn)此它最适于鋁(lǚ)線鍵合，而不能(néng)用于金線鍵合(he)。
3置換鍍金液的(de)PH值對化學鍍鎳(niè)層腐蝕的影響(xiǎng)
無電（解）鍍金可(kě)通過兩種途徑(jing)得到：
1） 通過置換(huan)反應的置換鍍(dù)金（Immtrsion Gold， IG）
2） 通過化學還(hái)原反應的化學(xué)鍍金（Electroless Gold，EG）
置換鍍金(jīn)是通過化學鍍(du)鎳磷層同鍍金(jīn)液中的金氰✉️絡(luo)離🤩子的直接置(zhi)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(yīng)的結果是金的(de)沉積鎳的溶解(jie)，不反應的磷則(zé)殘留在化學鍍(du)鎳層的表面，并(bìng)在金/鎳界面上(shàng)形成😄黑區（黑帶(dai)🧡、黑牙…等形狀）。
另(ling)一方面，化學鍍(dù)金層是通過金(jīn)氰絡離子接被(bei)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(yīng)的結果是金離(lí)子被還爲金屬(shǔ)金，而還原劑次(cì)磷酸根🈲被氧👉化(huà)爲亞磷酸根。因(yīn)此，這與反應并(bìng)不涉💚及到化學(xué)鍍鎳磷合金的(de)腐蝕或磷的殘(cán)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(hé)的黑帶與腐蝕(shí)
結果表明，黑帶(dài)（Black Band）或黑區（Black pad）問題主(zhǔ)要取決于鍍金(jīn)溶液的PH值。PH值越(yue)低，它對化學鍍(dù)鎳層的腐蝕越(yue)快，也越容易形(xing)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(shi)👉或黑帶，也就不(bu)會出現焊接不(bú)牢的問題。
4各種(zhong)印制闆鍍金工(gong)藝組合的釺焊(hàn)性比較
表2是用(yong)焊料球剪切試(shì)驗法（Solder Ball Shear Test）測定各種(zhong)印制闆鍍金⭐工(gōng)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(duàn)裂；斷裂模式2表(biao)示斷裂發生在(zai)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(xing)😍比較
表2的結果(guo)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(xing)化學鍍金/中性(xìng)化學鍍金🔴也顯(xiǎn)示非常好的剪(jiǎn)切強度要大于(yu)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(jian)合機測定各種(zhong)印制闆鍍金工(gōng)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(de)的鍍層♊組合，有(yǒu)8個點斷裂在金(jin)球鍵（Ball Bond）處，有2個點(dian)斷裂在楔形鍵(jian)（Wedge Bond）或印制的鍍金(jin)焊點上（Gold Pad），而良好(hao)的鍵合是不允(yǔn)許有一點斷🏃🏻‍♂️裂(lie)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(néng)用🈲于金線鍵合(hé)。化學鍍鎳/中性(xing)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(liáng)的，它與化學鍍(dù)鎳/化學鍍钯/置(zhì)換鍍金以及電(diàn)鍍鎳/電鍍金🐅的(de)鍵合性能相當(dāng)。我們認出這是(shì)因爲化學鍍金(jin)層有較高的純(chun)度（磷不合共沉(chén)積）和較低硬度(du)（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(qiu)鍍金層有一定(ding)的厚度。爲此我(wo)們有♉各性化學(xue)鍍金方法分别(bie)鍍取0.2至0.68μm厚的金(jīn)層🈚，然後測定其(qi)鍵合性能。表🧑🏽‍🤝‍🧑🏻4列(liè)出了不同金層(ceng)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(shi)的金線鍵合功(gōng)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(jin)線所需的平均(jun1)拉力也很高，說(shuō)明此時的鍵合(he)功能已很好。在(zài)實際應用時，我(wǒ)們控制化學鍍(du)金層的厚度在(zài)0.5-0.6μm，可比電鍍軟金(jin)0.6-0.7μm略低，這是💘因爲(wei)化學鍍金的平(píng)整度比電鍍金(jin)的好，它不受電(dian)流分布的影響(xiang)。
四  結論
1 用中性(xing)化學鍍金取代(dài)弱酸性置換鍍(du)金時，它可以避(bì)🛀🏻免🚶‍♀️化學🆚鍍鎳層(céng)的腐蝕，從而根(gen)本上消除了在(zài)化學鍍鎳/置換(huan)鍍金層界面上(shàng)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(xing)化學鍍金層同(tóng)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(diàn)🤟鍍鎳/電鍍🈚金的(de)替代👌工藝，适于(yú)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(lai)導通的印制闆(pǎn)🏃‍♀️，而中性化學㊙️鍍(du)金無此限制，因(yin)而具有廣闊的(de)應用前景。

          文章(zhāng)整理：昊瑞電子(zǐ) http://90xs.cc