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(jin)（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(cán)留在化學鍍鎳(niè)層表面，使EN/IG兩層(ceng)之間容易形成(chéng)黑色（焊）區（Black pad），它在(zai)焊接時常造成(cheng)焊接不牢（Solder Joint Failure）金層(céng)利落（Peeling）。延長鍍✏️金(jīn)的時✏️間雖可得(de)加較厚的金層(ceng)，但金層♊的結合(hé)力和鍵合性能(neng)迅速下降。本文(wen)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(du)金是解決印制(zhi)闆化學鍍鎳/置(zhì)換鍍金時出現(xian)黑色焊區問題(tí)的👅有效方法🈚，也(yě)是取代電鍍鎳(niè)/電鍍軟金工藝(yi)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(shè)計越來越複雜(za)，線路密度越來(lai)越🔆高，分離的線(xian)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(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(cheng)的鍍層必須是(shi)可焊的、可鍵合(he)的、長壽的，并具(jù)有低的接觸電(dian)阻。[1]
    目前适于金(jin)線鍵合的鍍金(jīn)工藝是電鍍鎳(nie)/電鍍軟🙇🏻金✍️工藝(yì)，它不僅鍍層軟(ruǎn)，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(néng)。遺憾的是它屬(shǔ)于電鍍型，不能(néng)用☎️于非導通線(xian)路的印制闆，而(ér)要将多層闆的(de)所🔱有線路光🌈導(dao)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(bú)可能實現的。[2]另(ling)外♈電鍍金層的(de)厚度會随電鍍(dù)時的電流密度(du)而異，爲保證最(zuì)低電流處的厚(hou)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(ti)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(dù)金工藝是全化(hua)學鍍工藝，它可(kě)用于非導通線(xian)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(yu)金線鍵合。通常(cháng)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(bing)将磷殘留在化(huà)學鍍鎳層表面(miàn)，形成黑色（焊）區(qū)（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(jue)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(xue)鍍钯/置換鍍金(jīn)工藝也是全化(huà)學鍍工藝，可用(yong)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(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(da)🔴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(ying)而引起的黑色(se)🙇‍♀️（焊）區問題。然而(ér)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(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(guǒ)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(gōng)藝，就可以獲得(dé)既無黑色焊區(qū)問題🌈，又具有優(yōu)良的釺焊♊性和(he)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(xue)鍍金工藝已進(jìn)行了許多研究(jiu)，大緻可分爲有(you)氰的和無氰的(de)兩類。無氰鍍液(ye)的成本較高，而(ér)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(wèi)⚽金鹽的中性化(huà)學鍍金🏒工藝，并(bìng)申請了專利。本(ben)文主要介❤️紹中(zhong)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(shàng)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(jīn)球上（見⁉️圖2左🧡邊(biān)），稱爲球鍵（Ball Bond）。金線(xian)的另一端則被(bèi)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(yòng)金屬挂鈎鈎📐住(zhu)金線并🌐用力向(xiàng)上拉，直至金🌈線(xiàn)斷裂并自動記(jì)下拉斷時的拉(lā)力。若斷裂在球(qiu)鍵或楔形鍵上(shàng)，表示鍵合🌈不合(he)格。若是金線本(běn)身被拉斷，則表(biao)示鍵合良好，而(ér)拉斷金線所需(xū)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(jiàn)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(hàn)性測試是在DAGE-BT 2400PC型(xíng)焊料球剪切試(shì)驗機（Millice Solder Ball Shear Test Machine）上進行。先(xian)在焊接點☂️上🔅塗(tu)上助焊劑，再放(fang)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(qi)的剪切臂靠到(dào)焊料球上🈲，用力(lì)向後推擠焊料(liao)球，直至焊料球(qiú)被推離焊料接(jiē)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(lì)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(biao)面結構及剖面(mian)（Cross Section）結構，從金/鎳🧡間(jian)的剖面結構可(ke)以判斷是否存(cun)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(jie)果與讨論
1 在化(hua)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(mian)形成。若小心将(jiāng)置✌️換金🏃🏻‍♂️層剝掉(diao)，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(wei)變黑的化學鍍(dù)鎳層。有時黑色(se)鎳層會深入到(dào)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(chēng)之爲“黑🏃🏻‍♂️帶”（Black band），黑帶(dài)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(hěn)容易被膠帶粘(zhan)住而剝落（Peeling）。有時(shí)腐蝕形成的黑(hēi)色鎳層呈牙狀(zhuàng)，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(yīng)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(huan)境中它與金液(ye)中的金氰絡離(lí)子發生下列反(fan)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(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(liú)将🔱使化㊙️學鍍鎳(niè)層變黑，并使表(biao)面磷含量升高(gao)。爲了重現這一(yī)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(zhōng)，它也同樣變黑(hei)。EDX分㊙️析表明，表😘面(miàn)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(duì)釺焊性和鍵合(hé)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(yi)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(liào)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(hou)度（約0.1μm都很低。因(yīn)此它最适于鋁(lü)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(ke)通過兩種途徑(jìng)得到：
1） 通過置換(huàn)反應的置換鍍(dù)金（Immtrsion Gold， IG）
2） 通過化學還(hai)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(luò)離子的📐直接置(zhì)換反應而施現(xiàn)
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(dù)鎳層的表面，并(bing)在金/鎳界面上(shang)形成🏃‍♀️黑區（黑帶(dai)💃🏻、黑牙🏒…等形狀）。
另(lìng)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(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(shǔ)金，而還原劑次(ci)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(can)留，也就不會有(you)黑區問題。
表1用(yong)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(dai)（Black Band）或黑區（Black pad）問題主(zhu)要取決于鍍金(jin)溶液的🍓PH值㊙️。PH值❓越(yue)低，它對化學鍍(dù)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(du)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(bú)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(yong)焊料球剪切試(shi)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(liè)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(biǎo)示斷裂🐅發生在(zài)焊球本✏️身。
表2各(gè)種印制闆鍍金(jin)工藝組合所得(dé)鍍層的釺焊性(xing)比較
表2的結果(guǒ)表明，電鍍鎳/電(dian)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(xing)化學鍍金/中性(xìng)化學🚩鍍金也顯(xian)💚示非常好的剪(jiǎn)切強度要大于(yu)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(zhuāng)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(dù)層的金線鍵合(he)測試結果。
表3各(gè)種印制闆鍍金(jin)工藝組合所得(dé)鍍層的金線鍵(jiàn)合測試🧑🏾‍🤝‍🧑🏼結果
由(you)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(yǒu)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(hao)的鍵合是不🎯允(yun)許有一點斷裂(lie)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(néng)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(yi)所得鍍層的💞鍵(jiàn)合功能是優良(liang)的，它與化學鍍(du)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(dang)。我們認出這是(shì)因爲化學鍍金(jīn)層有較高的純(chún)度（磷不合共沉(chén)積）和較低硬度(dù)（98VHN25）的緣🈲故。
6化學鍍(dù)金層的厚度對(dui)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(ding)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(jīn)層，然後🔞測定⁉️其(qi)鍵合性能。表4列(lie)出了不同金層(ceng)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(xué)鍍金層的厚度(du)對金線鍵合功(gōng)能的影響
由表(biao)4可見，當化學鍍(dù)金層厚度在0.2μm時(shí)，斷裂有時會出(chu)現在楔形鍵上(shang)，有時在金線上(shàng)，這表明0.2μm厚度時(shí)的金線鍵合功(gōng)💘能是很差的。當(dang)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(jun)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(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(du)金時，它可以避(bì)免化學鍍鎳層(ceng)的腐蝕，從而根(gēn)本上消除了在(zài)化♍學鍍鎳/置換(huàn)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(ci)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(yìn)制闆使用。
3 電鍍(dù)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(dù)金無此限制，因(yīn)而具有廣闊的(de)應用前景💯。

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