印制闆(pǎn)鍍金工藝的釺(qiān)焊性和鍵合功(gōng)能

    通(tong)常的置換鍍金(jin)（IG）液能夠腐蝕化(huà)學鍍鎳（EN）層，其結(jié)果是形👨‍❤️‍👨成置換(huan)🈲金層，并将磷殘(cán)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(zài)焊接時常造成(cheng)焊接不牢（Solder Joint Failure）金層(ceng)利落（Peeling）。延長鍍金(jīn)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(néng)迅速下降。本文(wén)比較了各種印(yin)制🐕闆鍍金工藝(yi)🌍組合的釺焊‼️性(xing)和鍵合功⚽能🌈，探(tàn)讨了形成黑色(se)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(zhi)闆化學鍍鎳/置(zhi)換鍍金時出現(xian)黑色焊區問題(ti)的有效方法，也(ye)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(zǐ)設備的線路設(she)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(yě)越來越多，許多(duo)複雜的印制闆(pan)要求它的最後(hòu)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(cheng)線更細，孔更小(xiao)，焊區更平的鍍(dù)層，而且所形成(chéng)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(diàn)阻。[1]
    目前适于金(jīn)線鍵合的鍍金(jin)工藝是電鍍鎳(nie)/電鍍軟金工藝(yì)，它不僅鍍層軟(ruan)，純度高（最高可(ke)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(néng)用于非導通線(xiàn)路的印制闆，而(ér)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(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(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(dàn)它🐉隻适⭐于鋁線(xian)鍵合而不适于(yú)金線鍵合。通常(cháng)的置換鍍金液(ye)是弱酸性的，它(ta)能腐蝕化學鍍(du)鎳磷層（Ni2P）而形成(chéng)置換鍍金層，并(bìng)将磷殘留在⛹🏻‍♀️化(hua)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(du)金時間，提高金(jīn)層厚度來解🈲決(jue)這些問題，結㊙️果(guǒ)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(xue)鍍钯/置換鍍金(jin)工藝也是全化(huà)學鍍工藝，可用(yòng)☀️于非導通線路(lu)的印制闆，而且(qie)鍵合功能優良(liang)，然而釺焊性并(bing)不十分好。開發(fa)這一新工藝的(de)早期目🐅的是用(yong)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(yīn)此應用會越來(lai)📧越少。
    化學鍍金(jīn)是和還原劑使(shǐ)金絡離子直接(jiē)被還原爲金屬(shu)金，它并非通過(guo)腐蝕化學鍍鎳(niè)磷合金層來沉(chén)積金。因此用化(huà)學鍍鎳/化學鍍(dù)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(sè)（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(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(jin)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(xue)🔴鍍金或化學鍍(dù)鎳/置換鍍金（<1min）/中(zhong)性化學💜鍍✔️金工(gōng)藝，就可以獲得(de)🌈既無黑色焊區(qū)問題，又具有優(you)良的釺焊性和(hé)鋁、金線鍵合功(gong)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(du)👈印制闆的制造(zào)。
    自催化的化學(xué)鍍金工藝已進(jin)行了許多研究(jiū)，大緻可分爲有(yǒu)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(shí)分穩定。因此我(wo)們開發了一種(zhǒng)以氰化金鉀爲(wèi)金鹽的中性化(huà)學鍍金工藝，并(bing)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(dù)金工藝組合的(de)釺焊性和鍵合(hé)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(shì)鍵合測試的結(jié)構圖。金線的一(yi)端被鍵合到🌈金(jīn)球上（見圖2左邊(biān)），稱🈚爲球鍵（Ball Bond）。金線(xiàn)的另一端則😘被(bei)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(zhu)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(qiu)鍵或楔形鍵🐆上(shàng)，表示鍵合不合(hé)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(yue)大，表示鍵合強(qiáng)度越高。
在本實(shí)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(shi)：時間25ms、超聲能量(liang)設定180、力155。兩處鍵(jian)合的操作溫📐度(dù)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(fàng)上直徑0.5mm的焊料(liào)球，然後送入重(zhong)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(liào)球，直至焊料球(qiu)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(lì)越大，表示焊接(jiē)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(mian)（Cross Section）結構，從金🏃🏻/鎳間(jiān)的剖面結構可(kě)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(fen)析鍍層中各組(zǔ)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(du)金層之間黑帶(dai)的形成
将化學(xué)鍍鎳的印制闆(pan)浸入弱酸性置(zhì)換鍍金液中，置(zhi)換🥰金❄️層🌍将在化(huà)學鍍鎳層表面(miàn)形成。若小心将(jiang)置換金📱層剝掉(diào)，就會發現界面(miàn)上有一層黑色(se)的鎳層，而在此(ci)黑色鎳層的下(xià)方，仍然存在未(wei)🚩變黑的化學鍍(du)鎳層。有時黑色(se)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(céng)呈帶狀，人♋們稱(chēng)之爲“黑帶”（Black band），黑帶(dai)區磷含😍量高達(da)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(hei)🚶‍♀️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(zhuang)，人們稱之爲“黑(hēi)牙”（Black teeth）（見圖4）。
爲何在(zài)形成置換金層(céng)的同時會形成(chéng)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(xué)鍍鎳層實際上(shang)是鎳磷合金💞鍍(du)層（Ni2P）。在弱酸性環(huán)境中它與金液(yè)中的金👅氰絡離(li)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(céng)的形成和鎳磷(lín)合金被金被腐(fǔ)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(niè)層變黑，并使表(biǎo)面磷含量升高(gao)。爲了重現這一(yi)現象，我們也發(fa)現😘若将化學鍍(dù)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(mian)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(shēng)到13.14%。
2 黑色（焊）區對(dui)釺焊性和鍵合(he)功能的影響
在(zài)焊接過程中，金(jīn)和正常鎳磷合(hé)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(lín)卻不能遷移到(dào)金層并與焊📱料(liao)熔合。當大量黑(hei)色鎳層存在時(shí)，其表面對焊料(liao)的潤濕大爲減(jiǎn)低，使焊接強度(dù)大大減弱。此外(wai)，由于置🚩換鍍金(jīn)層的純度與厚(hòu)度（約0.1μm都很低。因(yīn)此它最适于鋁(lǚ)線鍵合，而不能(neng)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(xiang)
無電（解）鍍金可(kě)通過兩種途徑(jìng)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(xue)鍍金（Electroless Gold，EG）
置換鍍金(jīn)是通過化學鍍(dù)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(bèi)次磷酸根還原(yuán)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(li)子被還爲金屬(shu)金，而還原劑次(cì)🐉磷🐪酸根🛀被🚶氧化(hua)爲亞磷酸根。因(yin)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(cán)留，也就不會有(yǒu)黑區問題。
表1用(yòng)SEM剖面分析來檢(jian)測各種EN/金組合(he)的黑帶與腐蝕(shi)
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(yuè)低，它對化學鍍(du)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(bu)再觀察到腐蝕(shí)或黑帶，也就不(bu)會出現焊接不(bú)牢的問題。
4各種(zhǒng)印制闆鍍金工(gōng)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(zhong)印制闆鍍金工(gong)藝組合所得鍍(dù)層釺焊性的結(jié)果。表中的斷裂(liè)模式（Failure mode）1表木焊❄️料(liào)從金焊⭐點（Gold pad）處斷(duan)裂；斷裂模式2表(biǎo)示斷裂發生在(zai)焊球本👅身。
表2各(ge)種印制闆鍍金(jin)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(du)🌈（1370g）或最牢的焊接(jiē)。化學鍍鎳/中性(xìng)化學鍍金/中性(xing)化學鍍金也顯(xiǎn)示非常好的剪(jian)切強度要大于(yú)800g。
5各種印制闆鍍(dù)金工藝組合的(de)金線鍵合功能(neng)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(gōng)藝👌組☀️合所得鍍(du)層的金線鍵合(hé)測試結果。
表3各(ge)種印制闆鍍金(jīn)工藝組合所得(de)鍍層的金線鍵(jiàn)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(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(jiàn)（Wedge Bond）或印制的鍍🛀金(jin)焊點上（Gold Pad），而良好(hao)的鍵合是不允(yun)許有一點斷裂(liè)在球鍵與楔形(xing)鍵處。這說明化(huà)學鍍鎳/置換鍍(dù)金工藝是不能(neng)用于金線鍵🌈合(he)。化學鍍鎳/中性(xing)化學鍍金/中性(xing)化學鍍金工藝(yì)所得鍍層的✔️鍵(jiàn)合功能是優⛷️良(liang)的，它與化學🌈鍍(dù)鎳/化學鍍钯/置(zhì)換鍍金以及電(dian)鍍鎳/電鍍金㊙️的(de)鍵合性能相當(dāng)。我們認出這是(shi)因爲化學鍍💃🏻金(jin)層有較高的純(chún)🏃🏻度（磷不合共沉(chen)積）和較低硬度(dù)（98VHN25）的緣故。
6化學鍍(dù)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(wǒ)們有各👣性化學(xue)鍍金方法分别(bié)鍍取0.2至0.68μm厚的金(jin)層，然後☀️測定其(qí)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(duàn)♊裂模式（Failure Mode）。
表4化學(xue)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(dù)金層厚度在0.2μm時(shi)，斷裂有時會出(chū)現❄️在楔形鍵上(shang)，有時在金線上(shang)，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(yǐ)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(he)功能已很好。在(zai)實際應用✂️時，我(wo)們控制化學鍍(dù)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(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(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(shang)出現黑色焊區(qu)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(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(yi)不适于電路來(lai)導通的印制闆(pan)✉️，而🤩中性化學鍍(du)金無此限制，因(yīn)而具有廣闊的(de)應用前景。

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