1、印制板鍍金工藝的釬焊性和鍵合功能 通常的置換鍍金（IG）液能夠腐蝕化學鍍鎳（EN）層，其結果是形成置換金層，并將磷殘留在化學鍍鎳層表面，使EN/IG兩層之間容易形成黑色（焊）區（Black Pad），它在焊接時常造成焊接不牢（Solder Joint FAilure）金層脫落（Peeling）。延長鍍金的時間雖可得到較厚的金層，但金層的結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的條件與機理，同時發現用中性化學鍍金是解決印制板化學鍍鎳置換鍍金時出現黑色焊區問題的有效方法，也是取代電鍍鎳電鍍軟金工藝用于金線鍵合（Gold Wire Bondin

2、g）的有效工藝。一 引言隨著電子設備的線路設計越來越復雜，線路密度越來越高，分離的線路和鍵合點也越來越多，許多復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，孔更小，焊區更平的鍍層，而且所形成的鍍層必須是可焊的、可鍵合的、長壽的，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99.99%），而且具有優良的釬焊性和金線鍵合功能。遺憾的是它屬于電鍍型，不能用于非導通線路的印制板，而要將多層板的所有線路導通，然后再復原，這需要花大量的人力和物力，有時幾乎是不可能實現

3、的。另外電鍍金層的厚度會隨電鍍時的電流密度而異，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。 化學鍍鎳置換鍍金工藝是全化學鍍工藝，它可用于非導通線路的印制板。這種鍍層組合的釬焊性優良，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，它能腐蝕化學鍍鎳磷層（Ni2P）而形成置換鍍金層，并將磷殘留在化學鍍鎳層表面，形成黑色（焊）區（Black Pad），它在焊接時常造成焊接不牢（Solder Joint Failure）或金層脫落（peeling）。試圖通過延長鍍金時間，提高金層厚度來解決這些問題，結果反而使金層的結合

4、力和鍵合功能明顯下降?；瘜W鍍鎳/化學鍍鈀/置換鍍金工藝也是全化學鍍工藝，可用于非導通線路的印制板，而且鍵合功能優良，然而釬焊性并不十分好。開發這一新工藝的早期目的是用價廉的鈀代替金，然而近年來鈀價猛漲，已達金價的倍多，因此應用會越來越少。化學鍍金是用還原劑使金絡離子直接被還原為金屬金，它并非通過腐蝕化學鍍鎳磷合金層來沉積金。因此用化學鍍鎳化學鍍金工藝來取代化學鍍鎳置換鍍金工藝，就可以從根本上消除因置換反應而引起的黑色（焊）區問題。然而普通的市售化學鍍金液大都是酸性的（PH4-6），因此它仍存在腐蝕化學鍍鎳磷合金的反應。只有中性化學鍍金才可避免置換反應。實驗結果表明，若用化學鍍鎳中性化學鍍金或化

5、學鍍鎳置換鍍金（1min）中性化學鍍金工藝，就可以獲得既無黑色焊區問題，又具有優良的釬焊性和鋁、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。自催化的化學鍍金工藝已進行了許多研究，大致可分為有氰的和無氰的兩類。無氰鍍液的成本較高，而且鍍液并不十分穩定。因此我們開發了一種以氰化金鉀為金鹽的中性化學鍍金工藝，并申請了專利。本文主要介紹中性化學鍍金工藝與其它鍍金工藝組合的釬焊性和鍵合功能。二 實驗 鍵合性能測試

6、（Bonding Tests）鍵合性能測試是在AB306B型ASM裝配自動熱聲鍵合機（ASM Assembly Automation Thermosonic Boinding Machine）上進行。圖和圖是鍵合測試的結構圖。金線的一端被鍵合到金球上（見圖左邊），稱為球鍵（Ball Bond）。金線的另一端則被鍵合到金焊區（Gold Pad）（見圖右邊），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記下拉斷時的拉力。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 For

7、ce）越大，表示鍵合強度越高。在本實驗中，金球鍵的鍵合參數是：時間45ms、超聲能量設定55、力55g；而楔形鍵的鍵合參數是：時間25ms、超聲能量設定180、力155。兩處鍵合的操作溫度為140，金線直徑32（1.25mil）。 釬焊性測試（Solderability Testing）釬焊性測試是在DAGEBT 2400PC型焊料球剪切試驗機（Millice Solder Ball Shear Test Machine）上進行。先在焊接點上涂上助焊劑，再放上直徑0.5mm的焊料球，然后送入重熔（Feflow）機上受熱焊牢，最后將機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

8、料接點，機器會自動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。 掃描電鏡（SEM）和射線電子衍射能量分析（EDX）用JSM-5310V型JOEL掃描電鏡來分析鍍層的表面結構及剖面（Cross Section）結構，從金鎳間的剖面結構可以判斷是否存在黑帶（Black band)或黑牙（Black Teeth）等問題?？梢苑治鲥儗又懈鹘M成元素的相對百分含量。三 結果與討論 在化學鍍鎳置換鍍金層之間黑帶的形成將化學鍍鎳的印制板浸入弱酸性置換鍍金液中，置換金層將在化學鍍鎳層表面形成。若小心將置換金層剝掉，就會發現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鍍鎳層。有

9、時黑色鎳層會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），黑帶區磷含量高達12.84%，而在正?；瘜W鍍鎳區磷含量只有（見圖）。在黑帶上的金層很容易被膠帶粘住而剝落（Peeling）。有時腐蝕形成的黑色鎳層呈牙狀，人們稱之為“黑牙”（Black teeth）（見圖）。為何在形成置換金層的同時會形成黑色鎳層呢？這要從置換反應的機理來解釋。大家知道，化學鍍鎳層實際上是鎳磷合金鍍層（Ni2P）。在弱酸性環境中它與金液中的金氰絡離子發生下列反應：Ni2P+4Au(CN)2- 4Au+2Ni(CN)42- +P結果是金層的形成和鎳磷合金被金被腐蝕，其中鎳變

10、成氰合鎳絡離子（Ni(CN)4）2-，而磷則殘留在表面。磷的殘留將使化學鍍鎳層變黑，并使表面磷含量升高。為了重現這一現象，我們也發現若將化學鍍鎳層浸入其它強腐蝕（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%。、黑色（焊）區對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。當大量黑色鎳層存在時，其表面對焊料的潤濕大為減低，使焊接強度大大減弱。此外，由于置換鍍金層的純度與厚度（約0.1）都很低。因此它最適于鋁線鍵合，而

11、不能用于金線鍵合。置換鍍金液的值對化學鍍鎳層腐蝕的影響無電（解）鍍金可通過兩種途徑得到：）通過置換反應的置換鍍金（Immtrsion Gold,IG）通過化學還原反應的化學鍍金（Electroless Gold, EG）置換鍍金是通過化學鍍鎳磷層同鍍金液中的金氰絡離子的直接置換反應而實現Ni2P+4Au(CN)2- 4Au+2Ni(CN)42- +P如前所述，反應的結果是金的沉積鎳的溶解，不反應的磷則殘留在化學鍍鎳層的表面，并在金鎳界面上形成黑區（黑帶、黑牙等形狀）。另一方面，化學鍍金層是通過金氰絡離子被次磷酸根還原而形成的 2Au(CN)2- +H2PO2-+H2O2Au+A2PO3- +4

12、CN+H2反應的結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，這個反應并不涉及到化學鍍鎳磷合金的腐蝕或磷的殘留，也就不會有黑區問題。（見表）表1 用SEM剖面分析來檢測積各種EN/金組合的黑帶與腐蝕施展方式與條件 黑帶 腐蝕 EN/IG (PH4.0,12min） 嚴重 嚴重 EN/IG（PH4.5,12min） 有 有 EN/EG-1（PH7.0，12min） 無 無 EN/EG-1（PH7.0，12min）/EG-2（PH6.7，12min 無 無 結果表明，黑帶（Black Band）或黑區（Black Pad）問題主要取決于鍍金溶液的PH值。PH值越低，它對化學鍍鎳

13、層的腐蝕越快，也越容易形成黑帶。若用一步中性化學鍍金（EN/EG-1）或兩步中性化學鍍金（EN/EG-1/EG-2），就不再觀察到腐蝕或黑帶，也就不會出現焊接不牢的問題。 各種印制板鍍金工藝組合的釬焊性比較表是用焊料球剪切試驗法（Solder Ball Shear Test）測定各種印制板鍍金工藝組合所得鍍層釬焊性的結果。表中的斷裂模式（Failure Mode）表示焊料從金焊點（Gold Pad）處斷裂；斷裂模式表示斷裂發生在焊球本身。表2 各種印制板鍍金工藝組合所得鍍層的釬焊性比較鍍金工藝 EN/IG EN/EP/IG 電鍍 Ni/Au EN/EG-1/EG-2 每種金屬層的厚度 4.57

14、/0.10 4.57/0.76/0.25 12.70/0.76 762/0.013/0.64 平均剪切力,g 858 530 1370 1093 斷裂模式 1 1 2 1 電鍍鎳電鍍軟金具有最高的剪切強度（1370g）或最牢的焊接。化學鍍鎳中性化學鍍金中性化學鍍金也顯示非常好的剪切強度（1000g），而良好焊接的工業標準是剪切強度要大于800g。各種印制板鍍金工藝組合的金線鍵合功能比較表3 各種印制板鍍金工藝組合所得鍍層的金線鍵合測試結果鍍金工藝 EN/IG EN/EP/IC 電鍍Ni/Au EN/EG-1/EG-2 每種金屬層的厚度, 4.55/0.10 4.57/0.76/0.25 9.3

15、0/0.76 7.06/0.013/0.73 平均剪切力,g 11.0 11.6 12.2 11.7 金球鍵剪斷裂數量 8 0 0 0 近金球外金線的斷裂數 0 2 2 2 金線中央處斷裂數量 32 58 58 58 近楔形處金線的斷裂數 0 0 0 0 楔形鍵（焊點）斷裂數 2 0 0 0 鍵合功能評價 差 好 好 好 傳統的化學鍍鎳置換鍍金方法所得的鍍層組合，有個點斷裂在金球鍵（Ball Bond）處，有個點斷裂在楔形鍵（Wedge Bond）或印制的鍍金焊點上（Gold Pad），而良好的鍵合是不允許有一點斷裂在球鍵與楔形鍵處。這說明化學鍍鎳置換鍍金工藝是不能用于金線鍵合。化學鍍鎳中性化

16、學鍍金中性化學鍍金工藝所得鍍層的鍵合功能是優良的，它與化學鍍鎳化學鍍鈀置換鍍金以及電鍍鎳電鍍金的鍵合性能相當。我們認為這是因為化學鍍金層有較高的純度（磷不合共沉積）和較低硬度（98VHN25）的緣故。 化學鍍金層的厚度對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。為此我們有各種化學鍍金方法分別鍍取0.2至0.68厚的金層，然后測定其鍵合性能。表列出了不同金層厚度時所得的平均拉力（Average Pull Force）和斷裂模式（Failure Mode）。當化學鍍金層厚度在0.2時，斷裂有時會出現在楔形鍵上，有時在金線上，這表明0.2厚度時的金線鍵合功能是很差的。當金厚度達0.25以上時，斷裂均在金線上，拉斷金線所需的平均拉力也很高，說明此時的鍵合功能已很好。在實際應用時，我們控制化學鍍金層的厚度在0.50.6，可比電鍍軟金0.60.7略低，這是因為化學鍍金的平整度比電鍍金的好，它不受電流分布的影響。總金層厚度, 平均拉力,g 斷裂模式 鍵合功能評價 0.2 14.21 金線，焊點 差 0.25 15.06 全在金線 好 0.33 14.77 全在金線 好 0.40 13.89 全在金線 好 0.45