印(yin)制闆鍍金(jin)工藝的釺(qian)焊性和鍵(jiàn)合功能

    通常的(de)置換鍍金(jīn)（IG）液能夠腐(fǔ)蝕化學鍍(dù)鎳（EN）層，其結(jié)果是形成(chéng)置換金層(ceng)，并将磷殘(can)留在化學(xue)鍍鎳層表(biao)面♉，使EN/IG兩層(ceng)之間容🔞易(yi)形成黑色(sè)（焊）區（Black pad），它在(zai)焊接時常(chang)造成焊接(jiē)不牢（Solder Joint Failure）金層(céng)利落（Peeling）。延長(zhǎng)鍍📞金的時(shi)☀️間雖可得(de)加較厚的(de)金層，但金(jin)層的結合(he)力✨和鍵合(he)性能迅速(su)下降。本文(wén)比較了各(ge)種印制💘闆(pan)鍍金工藝(yì)組合的釺(qian)焊♻️性和鍵(jian)合功能，探(tan)讨了形成(cheng)黑🆚色焊區(qu)的條件與(yǔ)機🈚理，同時(shí)發現用中(zhōng)性化學鍍(du)金是解🔴決(jué)印制闆化(huà)學鍍鎳/置(zhì)換鍍金時(shi)出現黑色(sè)焊區問題(ti)的有效方(fang)法，也是取(qǔ)代電鍍鎳(nie)/電鍍軟金(jīn)工藝用于(yu)金線鍵合(he)（Gold Wire Bonding）的有效工(gong)藝。
一  引言(yán)
    随着電子(zǐ)設備的線(xian)路設計越(yuè)來越複雜(za)，線路密度(du)越🐕來越高(gao)，分離的線(xian)路和鍵合(hé)點也越來(lai)越多，許多(duo)複雜的印(yin)制闆🔞要求(qiu)它的最後(hou)表面化處(chu)理（Final Surface Finishing）工藝具(jù)有更多的(de)功能✏️。即制(zhi)造工藝不(bu)僅可制成(cheng)線更細，孔(kong)更小，焊區(qu)更平的鍍(du)層，而且所(suo)形成的鍍(dù)層必須是(shì)可焊的、可(kě)鍵🌈合的、長(zhang)壽的，并具(jù)有低的接(jie)觸電阻。[1]
    目(mu)前适于金(jin)線鍵合的(de)鍍金工藝(yì)是電鍍鎳(nie)/電鍍軟金(jīn)工藝🌈，它不(bu)僅鍍層軟(ruǎn)，純度高（最(zui)高可達99．99%），而(er)且具有優(yōu)良的釺焊(han)性和金線(xiàn)鍵合功能(néng)。遺憾的是(shi)它屬于電(diàn)鍍型，不能(neng)用于非導(dao)💁通線路的(de)印制😄闆，而(ér)要将多層(ceng)闆的所有(you)線路光導(dao)通，然後再(zài)複原，這需(xū)要花大量(liàng)的人力和(hé)物力，有時(shí)幾乎是不(bú)可能實現(xiàn)的。[2]另外電(dian)鍍金層的(de)厚度會随(sui)電鍍時♉的(de)電流密度(du)而🔞異，爲保(bǎo)證最低電(diàn)流處🏃🏻的厚(hòu)度，電流密(mi)度高處的(de)鍍層就💔要(yao)超過所要(yào)求的厚👉度(dù)，這不僅提(tí)高了🛀成本(běn)，也爲随後(hou)的表面安(an)裝帶來麻(ma)煩。
    化學鍍(dù)鎳/置換鍍(du)金工藝是(shì)全化學鍍(dù)工藝，它可(ke)用于非導(dǎo)通線🐅路的(de)印制闆。這(zhè)種鍍層組(zǔ)合的釺焊(han)性🔆優良，但(dàn)它🤞隻适于(yú)鋁線鍵❌合(hé)而不适于(yu)金線鍵合(he)。通♌常的置(zhì)換鍍金🔞液(ye)是弱酸性(xìng)的，它能腐(fu)🐕蝕化學鍍(du)鎳✂️磷層（Ni2P）而(ér)形🆚成置換(huàn)鍍金層，并(bing)将😍磷殘留(liu)在化學鍍(dù)鎳層表面(miàn)，形成黑色(sè)（焊）區（Black pad），它在(zài)焊接焊常(chang)造成焊接(jiē)不🏃🏻牢（Solder Joint Failure）或金(jin)層脫♈落🏃‍♂️（Peeling）。試(shi)圖通過延(yán)長㊙️鍍金時(shi)間，提高金(jīn)層厚度來(lai)解決這些(xiē)📱問題，結果(guo)反而使金(jin)層的結合(he)力和鍵合(he)功能明顯(xiǎn)下降。[3]
    化學(xué)鍍鎳/化學(xué)鍍钯/置換(huan)鍍金工藝(yì)也是全化(huà)學鍍工藝(yi)，可用于非(fei)導通線路(lù)的印制闆(pan)，而且鍵合(hé)功能⛱️優良(liang)，然而釺焊(hàn)🏒性并不十(shi)分好。開發(fa)這一新工(gōng)藝的早期(qī)目的是用(yòng)價廉的钯(bǎ)代替金，然(ran)而近年來(lai)钯價猛漲(zhang)，已達金價(jià)的3倍多，因(yīn)此應用會(huì)越來越少(shǎo)。
    化學鍍金(jin)是和還原(yuan)劑使金絡(luò)離子直接(jie)被還原爲(wèi)金屬金，它(tā)🧡并非通過(guo)腐蝕化學(xue)鍍鎳磷合(he)金層來沉(chen)積金。因此(cǐ)㊙️用化🌍學鍍(dù)鎳/化學鍍(dù)金工藝來(lái)取代化學(xue)鍍鎳/置換(huàn)鍍金工藝(yì)，就可以從(cóng)根本上消(xiao)除因置換(huàn)反應而引(yǐn)起的黑色(sè)（焊）區問題(ti)。然而普通(tōng)的市售化(hua)學鍍金液(yè)大都是酸(suān)性的（PH4-6），因此(cǐ)它仍存在(zài)腐蝕化學(xue)㊙️鍍鎳磷合(hé)金的反應(yīng)。隻有中性(xìng)化學鍍金(jīn)才可避免(mian)置換反應(ying)。實驗結果(guǒ)表明，若用(yong)化學🏃‍♂️鍍鎳(nie)/中性化學(xue)鍍金或化(huà)學鍍鎳/置(zhì)換鍍金（<1min）/中(zhōng)性化學⛱️鍍(du)金工藝，就(jiù)可以獲得(dé)既無黑色(sè)焊🚩區問題(ti)，又具有優(you)良的釺焊(hàn)⭐性和鋁、金(jin)線鍵合功(gōng)能的鍍層(ceng)，它适于COB（Chip-on-Board）、BGA（Ball Grid Arrays）、MCM（Multi-Chip Modules）和(hé)CSP（Chip Scale Packages）等高難度(dù)🈲印制闆的(de)制造。
    自催(cui)化的化學(xué)鍍金工藝(yì)已進行了(le)許多研究(jiu)，大緻可分(fen)爲有氰的(de)和無氰的(de)兩類。無氰(qing)鍍液的成(cheng)本較高，而(ér)且鍍液并(bing)不十分穩(wen)定。因此我(wo)們開發了(le)一種以氰(qing)化金鉀爲(wèi)金鹽的中(zhōng)性化學鍍(dù)金♌工藝，并(bìng)申請☂️了專(zhuan)利。本文主(zhǔ)要介✍️紹中(zhōng)性化學鍍(dù)金工💋藝與(yǔ)其它咱鍍(du)金工藝組(zu)合的釺焊(han)性和鍵合(hé)功能。
   二  實(shí)驗
1 鍵合性(xìng)能測試（Bonding Tests）
鍵(jiàn)合性能測(ce)試是在AB306B型(xing)ASM裝配自動(dong)熱聲鍵合(hé)機（ASM Assembly Automation Thermosonic Bonding Machine ）上進行(háng)。圖1和圖🏒2是(shì)鍵合測試(shì)的結構圖(tú)。金線的一(yi)端被鍵合(hé)到金球上(shang)（見圖2左邊(bian)），稱⭐爲球鍵(jiàn)（Ball Bond）。金線的另(lìng)一端則被(bèi)鍵合到金(jīn)焊區（Gold pad）（見圖(tu)2右邊），稱爲(wèi)楔形鏈（Wedge Bond），然(rán)後用金屬(shǔ)挂鈎鈎住(zhù)金線并用(yong)力向上拉(lā)，直至金線(xiàn)斷裂并自(zì)動記下拉(lā)斷時的拉(lā)力。若斷裂(liè)在球鍵或(huò)楔形鍵⛹🏻‍♀️上(shang)，表示鍵合(he)不合格。若(ruò)是金線本(ben)身被拉斷(duan)，則表示鍵(jiàn)合良好，而(ér)拉斷金線(xian)所需的平(ping)均拉力（Average Pull Force ）越(yue)大，表示鍵(jian)合強度越(yuè)高。
在本實(shi)驗中，金球(qiú)鍵的鍵合(he)參數是：時(shí)間45ms、超聲能(néng)量設定55、力(lì)55g；而楔形鍵(jiàn)的鍵合參(cān)數是：時間(jian)25ms、超聲能量(liang)設定180、力155。兩(liǎng)處鍵合的(de)操作溫度(du)爲140℃，金線直(zhi)徑32μm（1．25mil）。
2 釺焊性(xìng)測試（Solderability Testing）
釺焊(hàn)性測試是(shi)在DAGE-BT 2400PC型焊料(liao)球剪切試(shi)驗機（Millice Solder Ball Shear Test Machine）上進(jìn)行。先在🚶焊(hàn)接🧑🏽‍🤝‍🧑🏻點上塗(tú)上助焊劑(jì)，再放上直(zhí)徑0.5mm的焊料(liào)球，然後送(sòng)入重熔（Reflow）機(jī)上受熱焊(hàn)牢，最後将(jiang)機器的剪(jiǎn)切臂📐靠到(dao)焊♊料球上(shang)，用力向後(hòu)推擠焊料(liào)球，直至焊(hàn)料球被推(tuī)離焊料接(jiē)點，機👅器會(huì)自動記錄(lù)推開焊料(liao)球所需的(de)剪切力。所(suo)需剪切力(li)越大，表示(shì)焊接越牢(láo)。
3 掃描電鏡(jìng)（SEM）和X-射線電(dian)子衍射能(néng)量分析（EDX）
用(yòng)JSM-5310LV型JOEL掃描電(diàn)鏡來分析(xī)鍍層的表(biǎo)面結構及(ji)剖面（Cross Section）結構(gou)，從金/鎳間(jiān)的剖面結(jié)構可以判(pan)斷是否存(cun)在黑帶（Black band）或(huò)黑牙（Black Teeth）等問(wèn)題。EDX可以分(fen)析鍍層中(zhōng)各組成光(guāng)素的相對(duì)百分🔅含量(liang)。
   三  結果與(yǔ)讨論
1 在化(huà)學鍍鎳/置(zhì)換鍍金層(ceng)之間黑帶(dài)的形成
将(jiāng)化學鍍鎳(niè)的印制闆(pǎn)浸入弱酸(suan)性置換鍍(du)金液中，置(zhì)換金㊙️層将(jiāng)在化學鍍(dù)鎳層表面(mian)形成。若小(xiǎo)心将置換(huan)金層剝掉(diào)，就👣會發現(xian)界面上有(yǒu)一層黑色(sè)的鎳層，而(ér)在此黑色(se)鎳🔞層的下(xià)方，仍然存(cún)在未變黑(hei)的化學鍍(dù)鎳層。有時(shi)黑色鎳📐層(céng)會深入到(dao)正常鍍⁉️鎳(nie)層的深處(chu)，若這層深(shen)處的黑色(se)鎳層呈帶(dài)狀，人們稱(cheng)之爲“黑帶(dai)”（Black band），黑帶區磷(lin)含量高達(dá)12.84%，而在政黨(dǎng)化學鍍鎳(nie)區磷含量(liàng)隻有8.02%（見圖(tu)3）。在黑帶上(shàng)的金層很(hen)容易被膠(jiāo)帶粘住而(ér)剝落（Peeling）。有時(shi)腐蝕形🐕成(cheng)的黑色鎳(niè)層呈👣牙狀(zhuàng)，人們稱之(zhi)爲“黑牙”（Black teeth）（見(jian)圖4）。
爲何在(zai)形成置換(huàn)金層的同(tong)時會形成(cheng)黑色鎳層(ceng)呢？這要從(cóng)🈲置換反應(yīng)的機理來(lai)解釋。大家(jiā)知道，化學(xue)鍍鎳層實(shí)際上是鎳(niè)磷合金鍍(du)層（Ni2P）。在弱酸(suān)性環境中(zhōng)它☀️與金液(yè)中的金氰(qíng)絡離子發(fa)生下列反(fǎn)應：
Ni2P+4[Au（CN）2]― →4Au+2[Ni（CN）4]2―+P
結果是(shì)金層的形(xing)成和鎳磷(lín)合金被金(jīn)被腐蝕，其(qí)中鎳變成(chéng)氰合🐕鎳絡(luò)離子（Ni（CN）4）2―，而磷(lin)則殘留在(zai)表面。磷的(de)殘留将使(shi)化學鍍❗鎳(niè)層變黑✊，并(bing)使表面磷(lin)含量升高(gao)。爲了重現(xiàn)這一現象(xiang)，我們也發(fā)現若将化(hua)學鍍鎳層(ceng)浸入其它(tā)強🌍腐蝕（Microetch）溶(rong)液中，它也(ye)同樣變黑(hēi)。EDX分析表明(ming)，表㊙️面層的(de)鎳含量由(you)78.8%下降至48.4%，而(ér)磷的含量(liàng)則由8.56%上升(shēng)到🚶13.14%。
2 黑色（焊(han)）區對釺焊(hàn)性和鍵合(he)功能的影(yǐng)響
在焊接(jiē)過程中，金(jin)和正常鎳(nie)磷合金鍍(dù)層均可以(yi)熔♻️入焊料(liào)✌️之中，但殘(can)留在黑色(sè)鎳層表面(mian)的磷卻不(bu)能遷移到(dào)金層并與(yǔ)焊💋料熔合(he)。當大量黑(hei)色鎳層存(cún)在時，其表(biao)面對焊料(liào)的潤濕大(dà)爲減低，使(shi)焊接強度(dù)大大減弱(ruò)。此外，由于(yu)置換鍍金(jin)層的純度(dù)與厚度（約(yuē)0.1μm都很低。因(yin)此它最适(shì)于鋁線♋鍵(jian)合，而不能(néng)用于金線(xiàn)鍵合。
3置換(huàn)鍍金液的(de)PH值對化學(xue)鍍鎳層腐(fu)蝕的影響(xiang)
無電（解）鍍(dù)金可通過(guo)兩種途徑(jìng)得到：
1） 通過(guo)置換反應(yīng)的置換鍍(dù)金（Immtrsion Gold， IG）
2） 通過化(huà)學還原反(fan)應的化學(xue)鍍金（Electroless Gold，EG）
置換(huan)鍍金是通(tōng)過化學鍍(dù)鎳磷層同(tóng)鍍金液中(zhōng)的金氰絡(luo)離子的直(zhi)接置換反(fan)應而施現(xian)
Ni2P+4[Au（CN）2]―→4Au+2[Ni（CN）4]2―+P
如前所述(shù)，反應的結(jié)果是金的(de)沉積鎳的(de)溶解，不反(fan)應的磷則(ze)殘留在化(hua)學鍍鎳層(céng)的表面，并(bing)在金/鎳界(jiè)面上形成(cheng)🌈黑區（黑帶(dai)、黑牙…等形(xing)狀）。
另一方(fang)面，化學鍍(dù)金層是通(tōng)過金氰絡(luò)離子接被(bèi)次磷酸根(gēn)還原而形(xíng)成的
2[Au（CN）2]―+H2PO―2 +H2O→2Au +A2PO―3 +4CN―+H2↑
反應(yīng)的結果是(shi)金離子被(bei)還爲金屬(shu)金，而還原(yuan)劑次磷酸(suān)根被氧化(hua)爲亞磷酸(suan)根。因此，這(zhe)與反應并(bìng)不涉及到(dào)化學🥰鍍鎳(nie)磷合🤟金的(de)腐蝕或磷(lín)的殘留，也(ye)就不⚽會有(you)黑區問題(tí)。
表1用SEM剖面(miàn)分析來檢(jiǎn)測各種EN/金(jin)組合的黑(hēi)帶與腐蝕(shi)
結果表明(ming)，黑帶（Black Band）或黑(hei)區（Black pad）問題主(zhǔ)要取決于(yú)鍍金溶液(ye)的PH值。PH值越(yue)低，它對化(hua)學鍍鎳層(ceng)的腐蝕越(yuè)快，也越容(róng)🚩易形成黑(hēi)帶。若用一(yi)步中性化(huà)學鍍金（EN/EG-1）或(huo)兩步中性(xìng)化學鍍金(jīn)（EN/EG-1/EG-2），就不再觀(guan)察到腐蝕(shi)或黑帶，也(yě)就不會出(chu)現焊接不(bu)牢的問題(tí)㊙️。
4各種印制(zhi)闆鍍金工(gong)藝組合的(de)釺焊性比(bi)較
表2是用(yong)焊料球剪(jian)切試驗法(fǎ)（Solder Ball Shear Test）測定各種(zhǒng)印制闆鍍(du)金工藝組(zǔ)合所得鍍(du)層釺焊性(xìng)的結果。表(biao)中的斷裂(liè)模式（Failure mode）1表木(mu)焊料從金(jīn)焊點（Gold pad）處斷(duàn)裂；斷裂模(mo)式2表示斷(duan)裂發生在(zài)焊球本身(shen)。
表2各種印(yìn)制闆鍍金(jin)工藝組合(he)所得鍍層(céng)的釺焊性(xing)比較
表2的(de)結果表明(míng)，電鍍鎳/電(diàn)鍍軟金具(ju)有最高的(de)剪切強度(du)（1370g）或最牢的(de)焊接。化學(xué)鍍鎳/中性(xìng)化學鍍金(jin)/中性化學(xué)鍍金也顯(xiǎn)示非常好(hǎo)🥵的剪切強(qiang)度要大于(yú)800g。
5各種印制(zhi)闆鍍金工(gōng)藝組合的(de)金線鍵合(he)功能比較(jiao)
表3是用ASM裝(zhuang)配自動熱(re)聲鍵合機(jī)測定各種(zhong)印制闆鍍(du)金工藝組(zu)合所得鍍(dù)層的金線(xiàn)鍵合測試(shì)結果。
表3各(gè)種印制闆(pan)鍍金工藝(yì)組合所得(de)鍍層的金(jīn)線鍵合測(cè)試結果
由(yóu)表3可見，傳(chuan)統的化學(xue)鍍鎳/置換(huàn)鍍金方法(fa)所得的鍍(du)✏️層㊙️組合，有(you)8個點斷裂(liè)在金球鍵(jian)（Ball Bond）處，有2個點(dian)斷裂在🔆楔(xiē)形鍵（Wedge Bond）或印(yìn)制的鍍金(jin)焊點上（Gold Pad），而(er)良好的鍵(jiàn)合是不允(yǔn)許有一點(diǎn)斷裂在球(qiú)鍵與楔🔞形(xíng)鍵處。這說(shuō)明化學鍍(du)鎳/置換鍍(du)金工藝是(shì)不能用✉️于(yu)金線鍵合(hé)。化學鍍鎳(nie)/中性化學(xué)鍍金/中性(xìng)化學鍍金(jīn)工藝所得(de)鍍層的鍵(jiàn)合功能是(shi)🔞優良的，它(tā)與化學👣鍍(dù)鎳/化學鍍(du)钯/置換鍍(dù)金以及電(diàn)鍍鎳/電鍍(dù)金的鍵合(he)性🔴能相當(dāng)。我們認出(chū)這是因爲(wèi)化學鍍👌金(jin)層有較高(gāo)的純度（磷(lin)不合共沉(chen)積）和較🧡低(di)硬度（98VHN25）的緣(yuan)🈲故。
6化學鍍(du)金層的厚(hou)度對金線(xian)鍵合功能(néng)的影響
良(liáng)好的金線(xiàn)鍵合要求(qiu)鍍金層有(you)一定的厚(hòu)度。爲此我(wo)們有各⭐性(xìng)化學鍍金(jin)方法分别(bie)鍍取0.2至0.68μm厚(hou)的金層，然(ran)後測定其(qi)鍵♈合性能(néng)。表😍4列出了(le)不同金層(céng)厚度時所(suǒ)得的平均(jun)拉力（Average Pull Force）和斷(duàn)裂模式（Failure Mode）。
表(biao)4化學鍍金(jin)層的厚度(dù)對金線鍵(jian)合功能的(de)影響
由表(biao)4可見，當化(huà)學鍍金層(ceng)厚度在0.2μm時(shí)，斷裂有時(shi)會出現在(zai)楔💁形鍵上(shàng)，有時在金(jīn)線上，這表(biao)明0.2μm厚度時(shi)的金線鍵(jiàn)合功能是(shi)很差的。當(dang)金層厚度(dù)達0.25μm以上時(shí)，斷裂均在(zài)金💘線上，拉(la)斷金線所(suǒ)需的平均(jun)拉力也很(hen)高，說明此(cǐ)時的鍵合(hé)功能已很(hěn)好。在實際(ji)應用時，我(wo)們控制化(hua)學鍍金層(céng)的厚度在(zài)0.5-0.6μm，可比電鍍(du)軟❤️金0.6-0.7μm略低(di)，這是因爲(wèi)化學鍍金(jin)的平整度(du)比電鍍金(jīn)的好，它不(bú)受電☂️流分(fèn)布的影響(xiang)。
四  結論
1 用(yòng)中性化學(xue)鍍金取代(dai)弱酸性置(zhi)換鍍金時(shi)，它可以避(bi)免化學鍍(du)鎳層的腐(fǔ)蝕，從而根(gen)本上消除(chú)了在化🈲學(xue)鍍鎳/置換(huan)鍍金層界(jiè)面上出現(xian)黑色焊區(qū)或黑帶的(de)問題。
2 金厚(hou)度在0.25至0.50μm的(de)化學鍍鎳(nie)/中性化學(xué)鍍金層同(tóng)時具有㊙️優(you)🛀良的釺🌐焊(han)性和金線(xiàn)鍵合功能(neng)，因此它是(shì)理想的電(dian)鍍鎳/電鍍(dù)金的替代(dài)工藝，适于(yu)細線、高密(mi)度印制闆(pǎn)使😄用。
3 電鍍(du)鎳/電鍍金(jin)工藝不适(shi)于電路來(lai)導通的印(yìn)制闆，而中(zhong)性❌化學鍍(dù)金無此限(xiàn)制，因而具(ju)有廣闊的(de)應用前景(jing)。

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