化學(xué)鍍鎳鈀金電路板金絲鍵合可靠性分析

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張路非，閆軍政，劉理想，王芝兵，吳美麗，李毅

（貴州振華群英電器有限公司）

摘要：

在微組裝工藝應(yīng)用領(lǐng)域，為保證印制電路板上裸芯片鍵合后的產(chǎn)品可靠性，采用化學(xué)鍍鎳鈀金工藝（ENEPIG），可在焊接時避免“金脆”問題、金絲鍵合時避免“黑焊盤”問題。針對化學(xué)鍍鎳鈀金電路板的金絲鍵合（球焊）可靠性進行了研究，從破壞性鍵合拉力測試、第一鍵合點剪切力測試以及通過加熱條件下的加速材料擴散試驗、鍵合點切片分析、鍵合點內(nèi)部元素掃描等多方面分析，與常規(guī)應(yīng)用的鍍鎳金基板鍵合強度進行了相關(guān)參數(shù)對比，最終確認(rèn)了長期可靠性滿足產(chǎn)品生產(chǎn)要求。此外，對鎳鈀金電路板金絲鍵合應(yīng)用過程中需要注意的相關(guān)事項進行了總結(jié)與說明。

0 引言

隨著微組裝工藝的發(fā)展，印制電路板上除常規(guī)元器件焊接外，也漸漸出現(xiàn)裸芯片的粘接、焊接和鍵合工藝，以滿足對產(chǎn)品的高集成度、小型化的要求。因此，印制電路板的焊盤表面處理工藝也從最基礎(chǔ)的“噴錫”演變到“鍍金”、“沉金”，但同時，也帶來了新的問題。常規(guī)采用含錫焊料的焊接工藝中，當(dāng)焊點中金含量為3%~19%時，會形成AuSn 4合金，導(dǎo)致焊點變脆，存在質(zhì)量隱患，這種現(xiàn)象稱為“金脆”現(xiàn)象。為了避免該問題，在有高可靠性要求的焊接工藝中，或者不采用金焊盤，或者將金焊盤的鍍金層厚度進行嚴(yán)格控制。

標(biāo)準(zhǔn)DOD-STD-2000-1B中規(guī)定，鍍金連接器和元件引線的焊接部位的鍍層在1.27～2.54 μm范圍內(nèi)時，應(yīng)進行搪錫，以避免“金脆”問題 [1] 。電路板焊接應(yīng)用中，由于大部分元器件均采用貼裝形式，焊接部位錫量較少，一般情況下，應(yīng)將焊盤中的鍍金層控制在0.3 μm以下，才可以有效避免“金脆”現(xiàn)象。

印制電路板常規(guī)的金焊盤鍍覆工藝為化學(xué)鍍鎳金工藝，即在電路板銅焊盤基材上先鍍鎳再鍍金，而該工藝經(jīng)過高溫或長時間儲存后，鍍層中的鎳會向金層滲透、擴散，形成“黑焊盤” [2] 。常規(guī)的印制電路板進行微組裝工藝時，都是對元器件先焊接，再鍵合，焊接過程中的高溫可造成“黑焊盤”問題，影響后續(xù)的鍵合工藝。為避免“黑焊盤”的問題出現(xiàn)，一般會提高鍵合區(qū)域的焊盤鍍金層厚度，印制板廠家一般建議將該區(qū)域的鍍金層厚度做到1 μm以上。

1 化學(xué)鍍鎳金電路板解決方案

1.1 選擇性鍍金工藝

為了使印制電路板可以兼容焊接和鍵合工藝，電路板廠家開始應(yīng)用選擇性鍍金工藝。

印制 電路 板焊 盤仍 采用 化學(xué) 沉鎳 金工 藝（ENIG），為防止“黑焊盤”對鍵合工藝的影響，且避免“金脆”現(xiàn)象出現(xiàn)，將電路板中的焊接區(qū)域、鍵合區(qū)域進行選擇性鍍金，即鍍金厚度不同，焊接區(qū)域鍍金厚度控制在0.3 μm以下，鍵合區(qū)域鍍金厚度控制在1 μm以上。

但是，選擇性鍍金工藝，需要至少兩次鍍金，且要對部分焊盤進行“保護”，工藝流程大大增加，導(dǎo)致電路板生產(chǎn)成本提高，某些焊盤較多的電路板在采用選擇性鍍金工藝后，價格可能是采用普通鍍金工藝的幾倍甚至十幾倍。

1.2 增加“過渡片”工藝

當(dāng)某一型號的印制電路板需求量很低時，考慮生產(chǎn)成本，也不會對電路板焊盤進行選擇性鍍金，而是仍采用鍍金焊盤，但是鍍金層厚度控制在0.3 μm以下，印制電路板上需要進行鍵合的焊盤處，再焊接或者使用導(dǎo)電膠粘接一種上表面為純金或者鍍厚金的“過渡片”，形成高可靠性的鍵合區(qū)域，再完成芯片對“過渡片”間的鍵合，從而完成印制電路板上的電氣互聯(lián)。

但是，“過渡片”如果采用金-銅鑲嵌材料，即焊接部位為銅、鍵合部位為金，成本也會很高。若采用銅表面鍍金材料，則仍存在“金脆”隱患，而只能采用導(dǎo)電膠粘接工藝，這樣，不僅會增加生產(chǎn)工序，導(dǎo)電膠粘接應(yīng)用在航空、航天產(chǎn)品中可靠性也較差。

為解決以上問題，印制電路板制造行業(yè)，開始研發(fā)并應(yīng)用化學(xué)鍍鎳鈀金工藝（ENEPIG），該工藝在鎳層和金層之間加入薄的一層鈀（Pd），阻止鎳層向金層擴散，避免了“黑焊盤”問題。這種工藝制備的焊盤，金層很薄，一般厚度在0.3 μm以下，避免了焊接過程中，出現(xiàn)“金脆”現(xiàn)象。同時，由于金層厚度較薄，且鍍金工藝簡單，生產(chǎn)成本也大大降低。

近年來，化學(xué)鍍鎳鈀金工藝在國內(nèi)具有高可靠要求的產(chǎn)品中應(yīng)用增多，為驗證其鍵合應(yīng)用的長期可靠性，進行了相關(guān)研究。

2 化學(xué)鍍鎳鈀金焊盤的鍵合強度

2.1 材料及工藝方案

在對化學(xué)鍍鎳鈀金焊盤的鍵合強度測試中，以常見的表面鍍鎳金基板作為對比，如圖1所示。

兩種材料的詳細情況見表1。

兩種基材均使用某型號設(shè)備進行全自動鍵合，在基板表面，采用相同的鍵合程序，分別鍵合50根直徑為25 μm的金絲，以確保鍵合絲長度、弧度、鍵合參數(shù)相同，詳細鍵合參數(shù)見表2。

2.2 破壞性鍵合拉力測試

鍵合完成后，對所有鍵合絲進行破壞性拉力測試，拉力測試位置均為弧高最高點，如圖2所示。

鎳鈀金基板鍵合金絲測試后，破壞性拉力均值為10.6 cN，數(shù)據(jù)分布如圖3所示。鎳金基板鍵合金絲測試后，破壞性拉力均值為10.3 cN，數(shù)據(jù)分布如圖4所示。測試過程中均無鍵合點脫落情況。通過破壞性拉力測試數(shù)據(jù)對比，兩種基板無明顯差別。

2.3 鍵合點剪切力測試

鍵合點剪切力測試，是將金絲鍵合的第一鍵合點進行破壞性剪切力測試，以更加直觀地檢測其第一鍵合點的鍵合強度。

經(jīng)過測試，鎳鈀金基板的第一鍵合點剪切力測試均值為58.8 cN，數(shù)據(jù)分布如圖5所示。而鎳金基板的第一鍵合點剪切力測試均值為64.6 cN，數(shù)據(jù)分布如圖6所示。通過破壞性鍵合點剪切力測試數(shù)據(jù)可以看出，在相同鍵合參數(shù)下，鎳金基板的第一鍵合點強度要高于鎳鈀金基板的。

2.4 鍵合點剪切力測試后金殘留情況

進行破壞性鍵合點剪切力測試后，鍵合點的金殘留情況也可作為鍵合強度是否可靠的判斷依據(jù)。鎳鈀金基板進行鍵合點剪切力測試后，鍵合點金殘留情況明顯少于鎳金基板的，如圖7所示。

3 化學(xué)鍍鎳鈀金焊盤的鍵合可靠性

通過拉力、鍵合點剪切力測試分析，產(chǎn)品基本可以滿足使用要求，但是鍵合點剪切力測試后的金殘留情況與常規(guī)鎳金基板不同，因此，繼續(xù)進行了相關(guān)可靠性研究。

3.1 試驗條件（烘焙溫度300 ℃、烘焙時間1 h）

在金絲鍵合工藝應(yīng)用過程中，為驗證鍵合材料與基板金屬間的擴散效應(yīng)，經(jīng)常采用在溫度300 ℃下烘焙1 h的試驗方式，來加快材料間的擴散，進而驗證長期應(yīng)用可靠性。

本次將鍵合后的鎳鈀金電路板進行了300 ℃下1 h的烘焙，烘焙后，對第一鍵合點進行了破壞性剪切力測試。其鍵合點并未出現(xiàn)脫落情況。其剪切力測試均值為72.1 cN，對比烘焙前，有明顯提升，數(shù)據(jù)分布如圖8所示。此外，其第一鍵合點進行剪切力測試后，金殘留也逐漸變多，如圖9所示。

驗證其鍵合強度增強是否為鍵合點與材料間的擴散導(dǎo)致，對鍵合點進行了切片分析，證實了其焊盤鍍層中的鎳元素（Ni）確實擴散到了鍵合點內(nèi)部，如圖10和圖11所示。

3.2 試驗條件（烘焙溫度300 ℃、烘焙時間8 h）

為驗證該擴散是否持續(xù)進行，再次試制樣品，并進行了溫度300 ℃下8 h的烘焙。烘焙后，其電路基板部分已經(jīng)變形，但是銅鍍鎳鈀金焊盤部分得以保留，對其第一鍵合點再次進行剪切力測試，其鍵合點大部分已無法去除，鍵合點僅從頸縮處斷裂，因此，第一鍵合點的剪切力測試數(shù)據(jù)已無意義，如圖12所示。

對該鍵合點再次進行切片分析，Ni元素擴散位置更加深入，且焊盤底層的Cu元素也開始擴散，如圖13所示。

3.3 小結(jié)

通過以上驗證，可知鎳鈀金基板長期應(yīng)用過程中，Ni元素仍然存在擴散問題，只是生產(chǎn)過程中，鍍層中的Pd成分可以有效阻止Ni元素短時間內(nèi)擴散，以保證焊接后，鍵合工藝的穩(wěn)定進行。

測量烘焙300 ℃/8 h后的Ni元素的擴散距離已大于10 μm（如圖14所示）。因此，通過該試驗也可以確定，常規(guī)的鎳金基板的鍍金層厚度大于1 μm仍然無法阻止長時間的Ni元素擴散。

常規(guī)鎳金基板在微組裝領(lǐng)域已應(yīng)用多年，無可靠性隱患，因此，可以推斷，鎳鈀金基板的鎳層擴散問題不會影響長期應(yīng)用可靠性。且其經(jīng)過擴散后鍵合強度增加，無多層金屬分離問題，證明其長期應(yīng)用可靠性能夠滿足高可靠性產(chǎn)品要求。

4 產(chǎn)品應(yīng)用注意事項

4.1 避免表面劃傷

鎳鈀金焊盤在使用過程中，由于其表面金層、鈀層厚度均較薄，應(yīng)注意避免表面劃傷，否則很容易破壞金、鈀鍍層，導(dǎo)致鍵合強度異常。

4.2 避免沾污

鍵合用的基板在少量沾污情況下，采用等離子清洗工藝，即可去除表面污染，該方式同樣適用于鎳鈀金基板。但是，若出現(xiàn)較為嚴(yán)重的污染時，常規(guī)的鎳金基板表面，可以采用打磨方式去除頑固污物，而鎳鈀金焊盤的打磨方式不易控制，無法確保鍍層不被破壞。

4.3 確保表面粗糙度

該問題主要對于印制電路板的制造商而言，因其鍍金層較薄，實際鍵合過程中，表面金層的形變量很小，因此，相對于鍍厚金的鎳金基板，鎳鈀金基板對表面粗糙度要求更高，有文獻表明，表面粗糙度至少要在 R a 0.6以下 [3] 。

5 結(jié)論

通過以上驗證，可知采用化學(xué)鍍鎳鈀金工藝的印制電路板焊盤可以滿足金絲鍵合的可靠性要求，但是，在實際生產(chǎn)中相對鎳金基板，應(yīng)用鎳鈀金基板需要對其他生產(chǎn)工藝進行更加良好的控制，避免對鍍金、鈀層的破壞。

審核編輯 黃宇