印制板鍍金工藝的釬焊性和鍵合功能

摘要
????通常的置換鍍金（IG）液能夠腐蝕化學(xué)鍍鎳（EN）層，其結(jié)果是形成置換金層，并將磷殘留在化學(xué)鍍鎳層表面，使EN/IG兩層之間容易形成黑色（焊）區(qū)（Black pad），它在焊接時(shí)常造成焊接不牢（Solder Joint Failure）金層利落（Peeling）。延長(zhǎng)鍍金的時(shí)間雖可得加較厚的金層，但金層的結(jié)合力和鍵合性能迅速下降。本文比較了各種印制板鍍金工藝組合的釬焊性和鍵合功能，探討了形成黑色焊區(qū)的條件與機(jī)理，同時(shí)發(fā)現(xiàn)用中性化學(xué)鍍金是解決印制板化學(xué)鍍鎳/置換鍍金時(shí)出現(xiàn)黑色焊區(qū)問題的有效方法，也是取代電鍍鎳/電鍍軟金工藝用于金線鍵合（Gold Wire Bonding）的有效工藝。
一??引言
????隨著電子設(shè)備的線路設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，線路密度越來越高，分離的線路和鍵合點(diǎn)也越來越多，許多復(fù)雜的印制板要求它的最后表面化處理（Final Surface Finishing）工藝具有更多的功能。即制造工藝不僅可制成線更細(xì)，孔更小，焊區(qū)更平的鍍層，而且所形成的鍍層必須是可焊的、可鍵合的、長(zhǎng)壽的，并具有低的接觸電阻。
????目前適于金線鍵合的鍍金工藝是電鍍鎳/電鍍軟金工藝，它不僅鍍層軟，純度高（最高可達(dá)99．99%），而且具有優(yōu)良的釬焊性和金線鍵合功能。遺憾的是它屬于電鍍型，不能用于非導(dǎo)通線路的印制板，而要將多層板的所有線路光導(dǎo)通，然后再?gòu)?fù)原，這需要花大量的人力和物力，有時(shí)幾乎是不可能實(shí)現(xiàn)的。另外電鍍金層的厚度會(huì)隨電鍍時(shí)的電流密度而異，為保證最低電流處的厚度，電流密度高處的鍍層就要超過所要求的厚度，這不僅提高了成本，也為隨后的表面安裝帶來麻煩。
????化學(xué)鍍鎳/置換鍍金工藝是全化學(xué)鍍工藝，它可用于非導(dǎo)通線路的印制板。這種鍍層組合的釬焊性優(yōu)良，但它只適于鋁線鍵合而不適于金線鍵合。通常的置換鍍金液是弱酸性的，它能腐蝕化學(xué)鍍鎳磷層（Ni2P）而形成置換鍍金層，并將磷殘留在化學(xué)鍍鎳層表面，形成黑色（焊）區(qū)（Black pad），它在焊接焊常造成焊接不牢（Solder Joint Failure）或金層脫落（Peeling）。試圖通過延長(zhǎng)鍍金時(shí)間，提高金層厚度來解決這些問題，結(jié)果反而使金層的結(jié)合力和鍵合功能明顯下降。
????化學(xué)鍍鎳/化學(xué)鍍鈀/置換鍍金工藝也是全化學(xué)鍍工藝，可用于非導(dǎo)通線路的印制板，而且鍵合功能優(yōu)良，然而釬焊性并不十分好。開發(fā)這一新工藝的早期目的是用價(jià)廉的鈀代替金，然而近年來鈀價(jià)猛漲，已達(dá)金價(jià)的3倍多，因此應(yīng)用會(huì)越來越少。
????化學(xué)鍍金是和還原劑使金絡(luò)離子直接被還原為金屬金，它并非通過腐蝕化學(xué)鍍鎳磷合金層來沉積金。因此用化學(xué)鍍鎳/化學(xué)鍍金工藝來取代化學(xué)鍍鎳/置換鍍金工藝，就可以從根本上消除因置換反應(yīng)而引起的黑色（焊）區(qū)問題。然而普通的市售化學(xué)鍍金液大都是酸性的（PH4-6），因此它仍存在腐蝕化學(xué)鍍鎳磷合金的反應(yīng)。只有中性化學(xué)鍍金才可避免置換反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，若用化學(xué)鍍鎳/中性化學(xué)鍍金或化學(xué)鍍鎳/置換鍍金（<1min）/中性化學(xué)鍍金工藝，就可以獲得既無(wú)黑色焊區(qū)問題，又具有優(yōu)良的釬焊性和鋁、金線鍵合功能的鍍層，它適于COB（Chip-on-Board）、BGA（Ball Grid Arrays）、MCM（Multi-Chip Modules）和CSP（Chip Scale Packages）等高難度印制板的制造。
????自催化的化學(xué)鍍金工藝已進(jìn)行了許多研究，大致可分為有氰的和無(wú)氰的兩類。無(wú)氰鍍液的成本較高，而且鍍液并不十分穩(wěn)定。因此我們開發(fā)了一種以氰化金鉀為金鹽的中性化學(xué)鍍金工藝，并申請(qǐng)了專利。本文主要介紹中性化學(xué)鍍金工藝與其它咱鍍金工藝組合的釬焊性和鍵合功能。
二??實(shí)驗(yàn)
1 鍵合性能測(cè)試（Bonding Tests）
鍵合性能測(cè)試是在AB306B型ASM裝配自動(dòng)熱聲鍵合機(jī)（ASM Assembly Automation Thermosonic Bonding Machine ）上進(jìn)行。圖1和圖2是鍵合測(cè)試的結(jié)構(gòu)圖。金線的一端被鍵合到金球上（見圖2左邊），稱為球鍵（Ball Bond）。金線的另一端則被鍵合到金焊區(qū)（Gold pad）（見圖2右邊），稱為楔形鏈（Wedge Bond），然后用金屬掛鉤鉤住金線并用力向上拉，直至金線斷裂并自動(dòng)記下拉斷時(shí)的拉力。若斷裂在球鍵或楔形鍵上，表示鍵合不合格。若是金線本身被拉斷，則表示鍵合良好，而拉斷金線所需的平均拉力（Average Pull Force ）越大，表示鍵合強(qiáng)度越高。
在本實(shí)驗(yàn)中，金球鍵的鍵合參數(shù)是：時(shí)間45ms、超聲能量設(shè)定55、力55g；而楔形鍵的鍵合參數(shù)是：時(shí)間25ms、超聲能量設(shè)定180、力155。兩處鍵合的操作溫度為140℃，金線直徑32μm（1．25mil）。
2 釬焊性測(cè)試（Solderability Testing）
釬焊性測(cè)試是在DAGE-BT 2400PC型焊料球剪切試驗(yàn)機(jī)（Millice Solder Ball Shear Test Machine）上進(jìn)行。先在焊接點(diǎn)上涂上助焊劑，再放上直徑0.5mm的焊料球，然后送入重熔（Reflow）機(jī)上受熱焊牢，最后將機(jī)器的剪切臂靠到焊料球上，用力向后推擠焊料球，直至焊料球被推離焊料接點(diǎn)，機(jī)器會(huì)自動(dòng)記錄推開焊料球所需的剪切力。所需剪切力越大，表示焊接越牢。
3 掃描電鏡（SEM）和X-射線電子衍射能量分析（EDX）
用JSM-5310LV型JOEL掃描電鏡來分析鍍層的表面結(jié)構(gòu)及剖面（Cross Section）結(jié)構(gòu)，從金/鎳間的剖面結(jié)構(gòu)可以判斷是否存在黑帶（Black band）或黑牙（Black Teeth）等問題。EDX可以分析鍍層中各組成光素的相對(duì)百分含量。
三??結(jié)果與討論
1 在化學(xué)鍍鎳/置換鍍金層之間黑帶的形成
將化學(xué)鍍鎳的印制板浸入弱酸性置換鍍金液中，置換金層將在化學(xué)鍍鎳層表面形成。若小心將置換金層剝掉，就會(huì)發(fā)現(xiàn)界面上有一層黑色的鎳層，而在此黑色鎳層的下方，仍然存在未變黑的化學(xué)鍍鎳層。有時(shí)黑色鎳層會(huì)深入到正常鍍鎳層的深處，若這層深處的黑色鎳層呈帶狀，人們稱之為“黑帶”（Black band），黑帶區(qū)磷含量高達(dá)12.84%，而在政黨化學(xué)鍍鎳區(qū)磷含量只有8.02%（見圖3）。在黑帶上的金層很容易被膠帶粘住而剝落（Peeling）。有時(shí)腐蝕形成的黑色鎳層呈牙狀，人們稱之為“黑牙”（Black teeth）（見圖4）。
為何在形成置換金層的同時(shí)會(huì)形成黑色鎳層呢？這要從置換反應(yīng)的機(jī)理來解釋。大家知道，化學(xué)鍍鎳層實(shí)際上是鎳磷合金鍍層（Ni2P）。在弱酸性環(huán)境中它與金液中的金氰絡(luò)離子發(fā)生下列反應(yīng)：
Ni2P+4[Au（CN）2]― →4Au+2[Ni（CN）4]2―+P
結(jié)果是金層的形成和鎳磷合金被金被腐蝕，其中鎳變成氰合鎳絡(luò)離子（Ni（CN）4）2―，而磷則殘留在表面。磷的殘留將使化學(xué)鍍鎳層變黑，并使表面磷含量升高。為了重現(xiàn)這一現(xiàn)象，我們也發(fā)現(xiàn)若將化學(xué)鍍鎳層浸入其它強(qiáng)腐蝕（Microetch）溶液中，它也同樣變黑。EDX分析表明，表面層的鎳含量由78.8%下降至48.4%，而磷的含量則由8.56%上升到13.14%。
2 黑色（焊）區(qū)對(duì)釬焊性和鍵合功能的影響
在焊接過程中，金和正常鎳磷合金鍍層均可以熔入焊料之中，但殘留在黑色鎳層表面的磷卻不能遷移到金層并與焊料熔合。當(dāng)大量黑色鎳層存在時(shí)，其表面對(duì)焊料的潤(rùn)濕大為減低，使焊接強(qiáng)度大大減弱。此外，由于置換鍍金層的純度與厚度（約0.1μm都很低。因此它最適于鋁線鍵合，而不能用于金線鍵合。
3置換鍍金液的PH值對(duì)化學(xué)鍍鎳層腐蝕的影響
無(wú)電（解）鍍金可通過兩種途徑得到：
1） 通過置換反應(yīng)的置換鍍金（Immtrsion Gold， IG）
2） 通過化學(xué)還原反應(yīng)的化學(xué)鍍金（Electroless Gold，EG）
置換鍍金是通過化學(xué)鍍鎳磷層同鍍金液中的金氰絡(luò)離子的直接置換反應(yīng)而施現(xiàn)
Ni2P+4[Au（CN）2]―→4Au+2[Ni（CN）4]2―+P
如前所述，反應(yīng)的結(jié)果是金的沉積鎳的溶解，不反應(yīng)的磷則殘留在化學(xué)鍍鎳層的表面，并在金/鎳界面上形成黑區(qū)（黑帶、黑牙…等形狀）。
另一方面，化學(xué)鍍金層是通過金氰絡(luò)離子接被次磷酸根還原而形成的
2[Au（CN）2]―+H2PO―2 +H2O→2Au +A2PO―3 +4CN―+H2↑
反應(yīng)的結(jié)果是金離子被還為金屬金，而還原劑次磷酸根被氧化為亞磷酸根。因此，這與反應(yīng)并不涉及到化學(xué)鍍鎳磷合金的腐蝕或磷的殘留，也就不會(huì)有黑區(qū)問題。
表1用SEM剖面分析來檢測(cè)各種EN/金組合的黑帶與腐蝕
結(jié)果表明，黑帶（Black Band）或黑區(qū)（Black pad）問題主要取決于鍍金溶液的PH值。PH值越低，它對(duì)化學(xué)鍍鎳層的腐蝕越快，也越容易形成黑帶。若用一步中性化學(xué)鍍金（EN/EG-1）或兩步中性化學(xué)鍍金（EN/EG-1/EG-2），就不再觀察到腐蝕或黑帶，也就不會(huì)出現(xiàn)焊接不牢的問題。
4各種印制板鍍金工藝組合的釬焊性比較
表2是用焊料球剪切試驗(yàn)法（Solder Ball Shear Test）測(cè)定各種印制板鍍金工藝組合所得鍍層釬焊性的結(jié)果。表中的斷裂模式（Failure mode）1表木焊料從金焊點(diǎn)（Gold pad）處斷裂；斷裂模式2表示斷裂發(fā)生在焊球本身。
表2各種印制板鍍金工藝組合所得鍍層的釬焊性比較
表2的結(jié)果表明，電鍍鎳/電鍍軟金具有最高的剪切強(qiáng)度（1370g）或最牢的焊接?；瘜W(xué)鍍鎳/中性化學(xué)鍍金/中性化學(xué)鍍金也顯示非常好的剪切強(qiáng)度要大于800g。
5各種印制板鍍金工藝組合的金線鍵合功能比較
表3是用ASM裝配自動(dòng)熱聲鍵合機(jī)測(cè)定各種印制板鍍金工藝組合所得鍍層的金線鍵合測(cè)試結(jié)果。
表3各種印制板鍍金工藝組合所得鍍層的金線鍵合測(cè)試結(jié)果
由表3可見，傳統(tǒng)的化學(xué)鍍鎳/置換鍍金方法所得的鍍層組合，有8個(gè)點(diǎn)斷裂在金球鍵（Ball Bond）處，有2個(gè)點(diǎn)斷裂在楔形鍵（Wedge Bond）或印制的鍍金焊點(diǎn)上（Gold Pad），而良好的鍵合是不允許有一點(diǎn)斷裂在球鍵與楔形鍵處。這說明化學(xué)鍍鎳/置換鍍金工藝是不能用于金線鍵合?；瘜W(xué)鍍鎳/中性化學(xué)鍍金/中性化學(xué)鍍金工藝所得鍍層的鍵合功能是優(yōu)良的，它與化學(xué)鍍鎳/化學(xué)鍍鈀/置換鍍金以及電鍍鎳/電鍍金的鍵合性能相當(dāng)。我們認(rèn)出這是因?yàn)榛瘜W(xué)鍍金層有較高的純度（磷不合共沉積）和較低硬度（98VHN25）的緣故。
6化學(xué)鍍金層的厚度對(duì)金線鍵合功能的影響
良好的金線鍵合要求鍍金層有一定的厚度。為此我們有各性化學(xué)鍍金方法分別鍍?nèi)?.2至0.68μm厚的金層，然后測(cè)定其鍵合性能。表4列出了不同金層厚度時(shí)所得的平均拉力（Average Pull Force）和斷裂模式（Failure Mode）。
表4化學(xué)鍍金層的厚度對(duì)金線鍵合功能的影響
由表4可見，當(dāng)化學(xué)鍍金層厚度在0.2μm時(shí)，斷裂有時(shí)會(huì)出現(xiàn)在楔形鍵上，有時(shí)在金線上，這表明0.2μm厚度時(shí)的金線鍵合功能是很差的。當(dāng)金層厚度達(dá)0.25μm以上時(shí)，斷裂均在金線上，拉斷金線所需的平均拉力也很高，說明此時(shí)的鍵合功能已很好。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，我們控制化學(xué)鍍金層的厚度在0.5-0.6μm，可比電鍍軟金0.6-0.7μm略低，這是因?yàn)榛瘜W(xué)鍍金的平整度比電鍍金的好，它不受電流分布的影響。
四??結(jié)論
1 用中性化學(xué)鍍金取代弱酸性置換鍍金時(shí)，它可以避免化學(xué)鍍鎳層的腐蝕，從而根本上消除了在化學(xué)鍍鎳/置換鍍金層界面上出現(xiàn)黑色焊區(qū)或黑帶的問題。
2 金厚度在0.25至0.50μm的化學(xué)鍍鎳/中性化學(xué)鍍金層同時(shí)具有優(yōu)良的釬焊性和金線鍵合功能，因此它是理想的電鍍鎳/電鍍金的替代工藝，適于細(xì)線、高密度印制板使用。
3 電鍍鎳/電鍍金工藝不適于電路來導(dǎo)通的印制板，而中性化學(xué)鍍金無(wú)此限制，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。