印制闆(pǎn)鍍金工藝的釺(qian)焊性和鍵合功(gōng)能

    通(tong)常的置換鍍金(jīn)（IG）液能夠腐蝕化(hua)學鍍鎳（EN）層，其結(jié)果是形🌏成置🈲換(huan)金層，并将磷殘(can)留在化學鍍鎳(niè)層表面🔞，使EN/IG兩層(céng)之間容易形成(chéng)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(céng)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(he)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(yì)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(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(niè)/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(zǐ)設備的線路設(shè)計越來越複雜(zá)，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(duo)複雜的印制闆(pǎn)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(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(chéng)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(ruan)，純度高（最高可(ke)達99．99%），而且具有優(you)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(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(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(dù)時的電流密度(dù)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(wei)随🔴後的表面安(ān)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(xiàn)路的印制闆。這(zhè)種鍍層組合的(de)釺焊性🌈優良，但(dàn)它隻适于鋁📐線(xiàn)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(dù)鎳磷層（Ni2P）而形成(chéng)置換鍍金層，并(bing)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(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(he)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(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(tì)金，然而近年來(lai)钯價猛漲，已達(da)金價的3倍多，因(yīn)此應用會越來(lái)越少。
    化學鍍金(jin)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(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(huàn)鍍金工藝，就🈲可(kě)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(dou)是酸性的（PH4-6），因此(ci)它仍存在腐蝕(shí)化學⛱️鍍鎳磷合(hé)金的反應。隻有(you)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(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(qu)問題‼️，又具有優(yōu)良的釺焊性和(he)鋁、金線鍵合🍉功(gōng)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(dù)印制闆的制造(zao)。
    自催化的化學(xue)鍍金工藝已進(jin)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(wǒ)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(bing)申請了專利。本(běn)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(hé)功能。
   二  實驗
1 鍵(jiàn)合性能測試（Bonding Tests）
鍵(jian)合性能測試是(shi)在AB306B型ASM裝配自動(dong)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(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(yong)金💋屬挂鈎鈎住(zhu)金線并用力向(xiang)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(shang)，表示鍵合不合(he)格。若是金線本(běn)身被拉斷，則表(biǎo)示鍵合良好，而(er)拉斷金線所需(xu)的平均拉力（Average Pull Force ）越(yue)大，表示鍵合強(qiang)度越高。
在本實(shí)驗中，金球鍵的(de)鍵合參數是：時(shí)間45ms、超聲能量設(she)定55、力55g；而楔🍉形鍵(jiàn)的鍵合參數是(shi)：時間25ms、超聲能量(liàng)設定180、力155。兩處👈鍵(jiàn)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(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(zhòng)熔（Reflow）機上受熱焊(hàn)牢，最後将機器(qi)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(jiē)點，機器會自動(dòng)記錄推開🏃‍♀️焊料(liao)球所✏️需的剪切(qie)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(yòng)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(ke)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(dui)百分含量。
   三  結(jie)果與讨論
1 在化(huà)學鍍鎳/置換鍍(dù)金層之間黑帶(dai)的形成
将化學(xue)鍍鎳的印制闆(pǎn)浸入弱酸性置(zhì)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(diao)，就會發現界面(miàn)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(dù)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(céng)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(xue)鍍鎳區磷含量(liàng)隻有8.02%（見圖3）。在黑(hēi)👣帶上的金層很(hěn)容易被膠帶粘(zhan)住而剝落（Peeling）。有時(shi)腐蝕形成的黑(hēi)色鎳層呈牙狀(zhuàng)，人們稱🥰之爲“黑(hei)牙☂️”（Black teeth）（見圖4）。
爲何在(zài)形成置換金層(céng)的同時會形成(cheng)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(xué)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(ye)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(lin)合金被金被腐(fǔ)蝕，其中鎳變成(chéng)氰合鎳絡離子(zǐ)（Ni（CN）4）2―，而磷則殘留在(zai)表面。磷的殘留(liu)将使化學鍍鎳(niè)層變黑，并使表(biao)面磷含量升高(gāo)。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(ta)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(sheng)到13.14%。
2 黑色（焊）區對(duì)釺焊性和鍵合(hé)功能的影響
在(zai)焊接過程中，金(jin)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(se)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(shí)，其表面對焊料(liào)的潤濕大爲減(jian)低，使👈焊接強度(du)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(yin)此它最适于鋁(lǚ)線鍵合，而不能(neng)用于金線鍵🙇🏻合(hé)。
3置換鍍金液的(de)PH值對化學鍍鎳(nie)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(huàn)反應的置換鍍(du)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(jin)是通過化學鍍(du)鎳磷層同鍍金(jin)液中的金氰絡(luò)離子的直接置(zhi)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(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(dù)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(lìng)一方面，化學鍍(du)金層是通過金(jin)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(ying)的結果是金離(li)子被還爲金屬(shu)金，而還原劑次(ci)🔴磷酸🔆根被氧化(hua)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(yong)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(dai)（Black Band）或黑區（Black pad）問題主(zhǔ)要取決于鍍金(jin)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(xíng)❗成黑🏃‍♀️帶。若用一(yī)步中❄️性化學鍍(dù)金（EN/EG-1）或兩步中性(xìng)化學鍍金（EN/EG-1/EG-2），就不(bu)再觀察到腐蝕(shi)或黑帶，也就不(bú)會出現焊接不(bu)牢的問題。
4各種(zhǒng)印制闆鍍金工(gōng)藝組合的釺焊(hàn)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(zhǒng)印制闆鍍金🌈工(gong)藝組合所得鍍(du)層釺焊性的結(jié)果。表中的斷裂(lie)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(biao)示斷裂發生在(zài)焊球本🔴身。
表2各(gè)種印制闆鍍金(jīn)工藝組合所得(dé)鍍層的釺焊性(xìng)比較🈲
表2的結果(guo)表明，電鍍鎳/電(dian)鍍軟金具有最(zuì)高的剪切強💃度(du)（1370g）或最牢的焊接(jie)。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(jian)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(zhuāng)配自動熱聲鍵(jian)合機測定各種(zhǒng)印制闆鍍金✊工(gong)藝組合所得鍍(du)層的金線鍵合(hé)測試結果。
表3各(gè)種印制闆鍍金(jīn)工藝組合所得(dé)鍍層的金線鍵(jian)合測試結果
由(you)表3可見，傳統的(de)化學鍍鎳/置換(huan)鍍金方法所得(dé)的鍍層組合，有(you)🈲8個點斷裂在金(jīn)球鍵（Ball Bond）處，有2個點(dian)斷裂在💔楔形鍵(jiàn)（Wedge Bond）或印制🔴的鍍金(jīn)焊點上（Gold Pad），而良好(hao)的鍵合是不允(yǔn)許有一點斷🚶裂(liè)在球鍵與楔形(xing)鍵處。這說明化(hua)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(xìng)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(du)鎳/化學鍍钯/置(zhi)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(chún)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(qiú)鍍金層有一定(dìng)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(jīn)層，然後測定其(qi)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(duan)裂模式（Failure Mode）。
表4化學(xue)鍍金層的厚度(dù)對金線鍵合功(gong)能的影響
由表(biǎo)4可見，當化學鍍(du)金層厚度在0.2μm時(shi)，斷裂有時會出(chū)現在楔形💋鍵上(shàng)，有時在金線上(shàng)，這表明0.2μm厚度時(shí)的金🥰線鍵合功(gong)能是很差的。當(dang)金層厚度達0.25μm以(yǐ)上時，斷裂均在(zài)金線上，拉斷金(jīn)線所需的平均(jun1)拉力也很高，說(shuo)明此時的鍵合(he)功能已很好。在(zài)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(wèi)化學鍍金的平(píng)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(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(huàn)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(tóng)時具有優❤️良🔴的(de)釺焊性和金線(xian)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(yú)細線、高密度印(yìn)⚽制闆使用。
3 電鍍(du)鎳/電鍍金工藝(yì)不适于電路來(lái)導通的印制闆(pan)，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。

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