印制闆鍍(du)金工藝的(de)釺焊性和(he)🔴人妻无码一区二区三区💯鍵合功能(neng)

    通常(chang)的置換鍍(du)金（IG）液能夠(gou)腐蝕化學(xue)鍍鎳（EN）層，其(qi)結果是形(xing)成置換🐉金(jin)層，并将磷(lin)殘留在化(hua)學鍍鎳層(ceng)表面，使EN/IG兩(liang)層之🐪間容(rong)易形成黑(hei)色（焊）區（Black pad），它(ta)在焊接時(shi)常造成焊(han)接不牢（Solder Joint Failure）金(jin)層利落（Peeling）。延(yan)長鍍金的(de)時間雖可(ke)得加較厚(hou)的金層，但(dan)金層的結(jie)合力和鍵(jian)合性能迅(xun)速下降。本(ben)文比較了(le)各種印制(zhi)闆鍍金工(gong)藝組合的(de)釺焊性和(he)鍵合功👄能(neng)，探讨了形(xing)成黑色焊(han)區的條件(jian)與機🌏理，同(tong)時發現用(yong)中😄性化學(xue)㊙️鍍金是解(jie)決印制闆(pan)化學鍍鎳(nie)/置換鍍金(jin)時出現黑(hei)色焊區問(wen)題的有效(xiao)方法，也是(shi)取代🌈電鍍(du)鎳/電鍍軟(ruan)金工藝用(yong)于金線鍵(jian)合（Gold Wire Bonding）的有效(xiao)工藝。
一  引(yin)言
    随着電(dian)子設備的(de)線路設計(ji)越來越複(fu)雜，線路密(mi)度越♌來越(yue)高🆚，分離的(de)線路和鍵(jian)合點也越(yue)來越多，許(xu)多複雜的(de)印制闆要(yao)求它的最(zui)後表面化(hua)處理（Final Surface Finishing）工藝(yi)具有更多(duo)的功能。即(ji)制造工藝(yi)不♋僅可制(zhi)成線更細(xi)，孔更小，焊(han)區更平的(de)鍍層，而且(qie)所形成的(de)鍍層必須(xu)是可焊的(de)、可鍵合的(de)、長壽的，并(bing)具有低的(de)㊙️接觸電阻(zu)。[1]
    目前适于(yu)金線鍵合(he)的鍍金工(gong)藝是電鍍(du)鎳/電鍍軟(ruan)金工藝，它(ta)不僅鍍層(ceng)軟，純度高(gao)（最高可達(da)99．99%），而且具有(you)優良的釺(qian)焊性💋和金(jin)線鍵合功(gong)能。遺憾的(de)是它屬于(yu)電鍍型，不(bu)能用🔞于非(fei)導通線路(lu)的印制闆(pan)，而要将多(duo)層闆的所(suo)📱有線路光(guang)導通，然後(hou)再複原，這(zhe)需要花大(da)量的人力(li)和物力，有(you)時幾✨乎是(shi)不可能實(shi)現的。[2]另外(wai)電鍍金層(ceng)的💃🏻厚度會(hui)随電鍍時(shi)⭐的電流密(mi)度而異，爲(wei)保證最低(di)電流處的(de)厚度，電流(liu)密度高處(chu)的鍍層就(jiu)要超過所(suo)要求的厚(hou)度，這不僅(jin)提高了成(cheng)本，也爲随(sui)後的表面(mian)安裝帶來(lai)麻煩。
    化學(xue)鍍鎳/置換(huan)鍍金工藝(yi)是全化學(xue)鍍工藝，它(ta)可用于非(fei)導通線路(lu)的印制闆(pan)。這種鍍層(ceng)組合的釺(qian)焊性🔞優良(liang)，但它🤞隻适(shi)于鋁📞線鍵(jian)合而不适(shi)于金線鍵(jian)合。通常的(de)置📐換鍍金(jin)液是弱酸(suan)性的，它能(neng)腐蝕化學(xue)鍍鎳磷層(ceng)（Ni2P）而形成置(zhi)換鍍🚩金層(ceng)，并将磷殘(can)留在化學(xue)鍍鎳層表(biao)面，形成黑(hei)色（焊）區（Black pad），它(ta)在焊接焊(han)常造成焊(han)接不牢（Solder Joint Failure）或(huo)金層脫落(luo)（Peeling）。試圖通過(guo)延長鍍金(jin)時間，提高(gao)金層厚度(du)來解💁決這(zhe)些問題，結(jie)果反而使(shi)金層的結(jie)合力和鍵(jian)合功能明(ming)顯下降。[3]
    化(hua)學鍍鎳/化(hua)學鍍钯/置(zhi)換鍍金工(gong)藝也是全(quan)化學鍍工(gong)藝，可用于(yu)非導通線(xian)路的印制(zhi)闆，而且鍵(jian)合功能優(you)良，然而釺(qian)焊性并不(bu)十分好。開(kai)發這一新(xin)工藝的早(zao)期目的是(shi)用價廉的(de)钯代替金(jin)，然而近年(nian)來钯價猛(meng)漲，已達金(jin)價的3倍多(duo)，因此應用(yong)會越來🌈越(yue)少。
    化學鍍(du)金是和還(hai)原劑使金(jin)絡離子直(zhi)接被還原(yuan)爲金屬金(jin)，它并非通(tong)過腐蝕化(hua)學鍍鎳磷(lin)合金層來(lai)沉積金。因(yin)此用化學(xue)鍍🏃‍♂️鎳/化學(xue)鍍金工藝(yi)來取代化(hua)學鍍鎳/置(zhi)換鍍金工(gong)藝，就可以(yi)從根本上(shang)消除因置(zhi)換😘反應而(er)引起的黑(hei)色（焊）區問(wen)題。然而普(pu)通的市售(shou)化學鍍金(jin)液大❤️都是(shi)酸性的（PH4-6），因(yin)此它仍存(cun)在腐蝕化(hua)學鍍鎳磷(lin)合金的反(fan)應。隻有中(zhong)性化學鍍(du)金才可🌍避(bi)免置換反(fan)應。實驗結(jie)果表明，若(ruo)用化學鍍(du)鎳/中性化(hua)學鍍🔆金或(huo)化學鍍鎳(nie)/置換鍍金(jin)（<1min）/中性化學(xue)鍍金工藝(yi)，就🏃🏻‍♂️可以獲(huo)得既無黑(hei)色焊區問(wen)題📱，又具有(you)優良的釺(qian)焊🔞性和鋁(lü)、金線鍵合(he)功能的🈲鍍(du)層，它适于(yu)COB（Chip-on-Board）、BGA（Ball Grid Arrays）、MCM（Multi-Chip Modules）和CSP（Chip Scale Packages）等高難(nan)度⛷️印制闆(pan)的制造。
    自(zi)催化的化(hua)學鍍金工(gong)藝已進行(hang)了許多研(yan)究，大緻可(ke)分爲有氰(qing)的和無氰(qing)的兩類。無(wu)氰鍍液的(de)成本較高(gao)，而且鍍液(ye)并不十💃分(fen)穩🔞定。因此(ci)我們開發(fa)了一種以(yi)氰化🧑🏽‍🤝‍🧑🏻金鉀(jia)爲🐆金鹽的(de)中性化學(xue)鍍金工藝(yi)，并申請了(le)專利。本文(wen)主要介🐪紹(shao)中性化學(xue)鍍金工藝(yi)與其它咱(zan)鍍金工藝(yi)組合的釺(qian)焊💛性和鍵(jian)合功💯能。
   二(er)  實驗
1 鍵合(he)性能測試(shi)（Bonding Tests）
鍵合性能(neng)測試是在(zai)AB306B型ASM裝配自(zi)動熱聲鍵(jian)合機（ASM Assembly Automation Thermosonic Bonding Machine ）上進(jin)行💞。圖1和圖(tu)2是鍵合測(ce)試的結構(gou)圖。金線的(de)一端被鍵(jian)✌️合到♋金球(qiu)上（見圖2左(zuo)邊），稱爲球(qiu)鍵（Ball Bond）。金線的(de)另一端則(ze)被鍵合到(dao)金焊區（Gold pad）（見(jian)圖2右邊），稱(cheng)爲楔形❄️鏈(lian)（Wedge Bond），然後用金(jin)🈲屬挂鈎鈎(gou)住金線并(bing)👌用力向上(shang)拉，直至金(jin)線斷裂并(bing)㊙️自動記下(xia)拉斷時的(de)拉力💋。若斷(duan)裂在球鍵(jian)或楔形鍵(jian)上，表示鍵(jian)合不合格(ge)。若是金線(xian)🔞本身被拉(la)斷，則表示(shi)鍵合良好(hao)，而拉斷💋金(jin)線所🔱需的(de)平均拉力(li)（Average Pull Force ）越大，表示(shi)鍵🐕合強度(du)越高。
在本(ben)實驗中，金(jin)球鍵的鍵(jian)合參數是(shi)：時間45ms、超聲(sheng)能量👅設定(ding)55、力55g；而楔形(xing)鍵的鍵合(he)參數是：時(shi)間25ms、超聲能(neng)量設🔴定180、力(li)㊙️155。兩處鍵合(he)⚽的操♍作溫(wen)度爲140℃，金線(xian)直徑32μm（1．25mil）。
2 釺焊(han)性測試（Solderability Testing）
釺(qian)焊性測試(shi)是在DAGE-BT 2400PC型焊(han)料球剪切(qie)試驗機（Millice Solder Ball Shear Test Machine）上(shang)進行。先在(zai)焊❌接💛點上(shang)塗上助焊(han)劑，再放上(shang)直徑0.5mm的焊(han)料球，然後(hou)送👉入重熔(rong)（Reflow）機上受熱(re)焊牢，最後(hou)将機器的(de)剪切臂靠(kao)到焊🏒料球(qiu)上🌐，用力向(xiang)後推擠焊(han)料球，直至(zhi)焊料球被(bei)推離焊料(liao)接點，機器(qi)會自動記(ji)錄推開焊(han)料球所㊙️需(xu)的剪切力(li)。所需剪切(qie)力越大，表(biao)示焊接越(yue)牢。
3 掃描電(dian)鏡（SEM）和X-射線(xian)電子衍射(she)能量分析(xi)（EDX）
用JSM-5310LV型JOEL掃描(miao)電鏡來分(fen)析鍍層的(de)表面結構(gou)及剖面（Cross Section）結(jie)構⭐，從金/鎳(nie)間的剖面(mian)結構可以(yi)判斷是否(fou)存在黑帶(dai)（Black band）或黑牙（Black Teeth）等(deng)問題。EDX可以(yi)分析鍍層(ceng)中各組成(cheng)光素的相(xiang)對百分含(han)量。
   三  結果(guo)與讨論
1 在(zai)化學鍍鎳(nie)/置換鍍金(jin)層之間黑(hei)帶的形成(cheng)
将化學鍍(du)鎳的印制(zhi)闆浸入弱(ruo)酸性置換(huan)鍍金液中(zhong)，置換金層(ceng)将在化學(xue)鍍鎳層表(biao)面形成。若(ruo)小心将置(zhi)換金層剝(bao)掉，就📱會發(fa)現界面上(shang)有一層黑(hei)色的鎳層(ceng)，而在此黑(hei)色鎳♉層的(de)下方，仍然(ran)存在未變(bian)黑的化學(xue)鍍鎳層。有(you)時黑色鎳(nie)層會深入(ru)到正常鍍(du)鎳層的深(shen)👨‍❤️‍👨處，若這層(ceng)深處的黑(hei)色鎳💃層呈(cheng)帶狀，人們(men)稱之爲“黑(hei)💃🏻帶”（Black band），黑帶區(qu)磷含👈量高(gao)達12.84%，而在政(zheng)黨化學鍍(du)鎳區♉磷含(han)✨量隻有8.02%（見(jian)🌈圖3）。在黑帶(dai)上的金層(ceng)很容易被(bei)膠帶粘住(zhu)而剝落（Peeling）。有(you)時腐蝕形(xing)成的黑色(se)鎳層呈牙(ya)狀，人們稱(cheng)☀️之爲“黑牙(ya)📞”（Black teeth）（見圖4）。
爲何(he)在形成置(zhi)換金層的(de)同時會形(xing)成黑色鎳(nie)層呢？這要(yao)從👣置換反(fan)應的機理(li)來解釋。大(da)家知道，化(hua)學鍍鎳層(ceng)實際📐上是(shi)⛹🏻‍♀️鎳磷合金(jin)鍍層（Ni2P）。在弱(ruo)酸性環境(jing)中它與金(jin)液🔞中的金(jin)氰絡離子(zi)發生下列(lie)反應：
Ni2P+4[Au（CN）2]― →4Au+2[Ni（CN）4]2―+P
結果(guo)是金層的(de)形成和鎳(nie)磷合金被(bei)金被腐蝕(shi)，其中鎳變(bian)成🌍氰合🌈鎳(nie)絡離子（Ni（CN）4）2―，而(er)磷則殘留(liu)在表面。磷(lin)的殘留将(jiang)使化學鍍(du)鎳層變黑(hei)，并使表面(mian)磷含量升(sheng)高。爲🔞了重(zhong)現✍️這一現(xian)象，我們也(ye)發現若将(jiang)化學鍍鎳(nie)層浸入其(qi)它強♋腐蝕(shi)（Microetch）溶液中，它(ta)也同樣變(bian)黑。EDX分析表(biao)明，表面層(ceng)的鎳含量(liang)由78.8%下降至(zhi)48.4%，而磷的含(han)量㊙️則由8.56%上(shang)升到13.14%。
2 黑色(se)（焊）區對釺(qian)焊性和鍵(jian)合功能的(de)影響
在焊(han)接過程中(zhong)，金和正常(chang)鎳磷合金(jin)鍍層均可(ke)以熔入焊(han)料之中，但(dan)殘留在黑(hei)色鎳層表(biao)面的磷卻(que)不能遷移(yi)🍓到金層并(bing)🥰與焊料熔(rong)合。當大量(liang)黑色鎳層(ceng)存在時，其(qi)表面對焊(han)料的潤濕(shi)大爲減低(di)，使🏃🏻焊接強(qiang)度大大減(jian)弱。此✉️外，由(you)于置換鍍(du)金層的純(chun)度與厚度(du)（約0.1μm都很低(di)。因此它最(zui)适于鋁線(xian)鍵合，而不(bu)能用于金(jin)線鍵合。
3置(zhi)換鍍金液(ye)的PH值對化(hua)學鍍鎳層(ceng)腐蝕的影(ying)響
無電（解(jie)）鍍金可通(tong)過兩種途(tu)徑得到：
1） 通(tong)過置換反(fan)應的置換(huan)鍍金（Immtrsion Gold， IG）
2） 通過(guo)化學還原(yuan)反應的化(hua)學鍍金（Electroless Gold，EG）
置(zhi)換鍍金是(shi)通過化學(xue)鍍鎳磷層(ceng)同鍍金液(ye)中的金氰(qing)絡離子🆚的(de)👈直接置換(huan)反應而施(shi)現
Ni2P+4[Au（CN）2]―→4Au+2[Ni（CN）4]2―+P
如前所(suo)述，反應的(de)結果是金(jin)的沉積鎳(nie)的溶解，不(bu)反應😍的磷(lin)則❌殘留在(zai)化學鍍鎳(nie)層的表面(mian)，并在金/鎳(nie)界面上形(xing)成黑區（黑(hei)帶、黑牙…等(deng)形狀）。
另一(yi)方面，化學(xue)鍍金層是(shi)通過金氰(qing)絡離子接(jie)被次磷酸(suan)根還原而(er)形成的
2[Au（CN）2]―+H2PO―2 +H2O→2Au +A2PO―3 +4CN―+H2↑
反(fan)應的結果(guo)是金離子(zi)被還爲金(jin)屬金，而還(hai)原劑次💞磷(lin)酸根被🎯氧(yang)化爲亞磷(lin)酸根。因此(ci)，這與反應(ying)并不涉✉️及(ji)到化學🆚鍍(du)鎳磷合♻️金(jin)的🔅腐蝕或(huo)磷的殘留(liu)，也就不會(hui)有黑區問(wen)題。
表1用SEM剖(pou)面分析來(lai)檢測各種(zhong)EN/金組合的(de)黑帶與腐(fu)蝕
結果表(biao)明，黑帶（Black Band）或(huo)黑區（Black pad）問題(ti)主要取決(jue)于鍍金溶(rong)液的PH值。PH值(zhi)越低，它對(dui)化學鍍鎳(nie)層的腐蝕(shi)越快，也越(yue)容易形成(cheng)黑帶。若📱用(yong)一步中性(xing)化學鍍金(jin)（EN/EG-1）或兩步中(zhong)性化學鍍(du)金（EN/EG-1/EG-2），就不再(zai)觀察到腐(fu)蝕或黑帶(dai)，也就不會(hui)出現焊接(jie)不牢的問(wen)題🐉。
4各種印(yin)制闆鍍金(jin)工藝組合(he)的釺焊性(xing)比較
表2是(shi)用焊料球(qiu)剪切試驗(yan)法（Solder Ball Shear Test）測定各(ge)種印制闆(pan)鍍金工藝(yi)組合所得(de)鍍層釺焊(han)性的結果(guo)。表中的斷(duan)裂模式（Failure mode）1表(biao)木焊料從(cong)金焊點（Gold pad）處(chu)斷裂；斷裂(lie)模式2表示(shi)斷裂發生(sheng)在👅焊球本(ben)㊙️身。
表2各種(zhong)印制闆鍍(du)金工藝組(zu)合所得鍍(du)層的釺焊(han)性比較
表(biao)2的結果表(biao)明，電鍍鎳(nie)/電鍍軟金(jin)具有最高(gao)的剪切💰強(qiang)度（1370g）或最牢(lao)的焊接。化(hua)學鍍鎳/中(zhong)性化學鍍(du)金/中性化(hua)學☔鍍金💚也(ye)顯🏃🏻‍♂️示非常(chang)好的剪切(qie)強度要大(da)于800g。
5各種印(yin)制闆鍍金(jin)工藝組合(he)的金線鍵(jian)合功能比(bi)較♍
表3是用(yong)ASM裝配自動(dong)熱聲鍵合(he)機測定各(ge)種印制闆(pan)鍍金工藝(yi)組合所得(de)鍍層的金(jin)線鍵合測(ce)試結果。
表(biao)3各種印制(zhi)闆鍍金工(gong)藝組合所(suo)得鍍層的(de)金線鍵🏃合(he)👉測試結果(guo)
由表3可見(jian)，傳統的化(hua)學鍍鎳/置(zhi)換鍍金方(fang)法所得的(de)鍍層☔組🐕合(he)🈚，有8個點斷(duan)裂在金球(qiu)鍵（Ball Bond）處，有2個(ge)點斷裂在(zai)楔形鍵（Wedge Bond）或(huo)印制🙇🏻的鍍(du)金焊點上(shang)（Gold Pad），而良好的(de)鍵合是不(bu)允許有一(yi)點斷裂在(zai)球鍵與楔(xie)形鍵處📐。這(zhe)說明化學(xue)鍍鎳/置換(huan)鍍金工藝(yi)是不能用(yong)于金線鍵(jian)合。化學鍍(du)🔆鎳/中性化(hua)學💋鍍金/中(zhong)性化學鍍(du)金工藝所(suo)得鍍層的(de)鍵合功能(neng)是優良的(de)，它與化學(xue)鍍鎳/化學(xue)鍍钯/置換(huan)鍍金以及(ji)電鍍鎳/電(dian)鍍金的鍵(jian)合性能相(xiang)當。我們認(ren)出這是因(yin)爲化學鍍(du)金層有較(jiao)高的純度(du)😄（磷不合共(gong)沉積）和較(jiao)低硬度（98VHN25）的(de)緣故。
6化學(xue)鍍金層的(de)厚度對金(jin)線鍵合功(gong)能的影響(xiang)
良好的金(jin)線鍵合要(yao)求鍍金層(ceng)有一定的(de)厚度。爲此(ci)✂️我們有各(ge)性化學鍍(du)金方法分(fen)别鍍取0.2至(zhi)0.68μm厚的金層(ceng)，然後測定(ding)其鍵合性(xing)🌍能。表💋4列出(chu)了不同金(jin)層厚度時(shi)所得的💋平(ping)均拉力（Average Pull Force）和(he)斷❄️裂模式(shi)（Failure Mode）。
表4化學鍍(du)金層的厚(hou)度對金線(xian)鍵合功能(neng)的影響
由(you)表4可見，當(dang)化學鍍金(jin)層厚度在(zai)0.2μm時，斷裂有(you)時會出現(xian)🈲在楔形鍵(jian)上，有時在(zai)金線上，這(zhe)表明0.2μm厚度(du)時的金線(xian)鍵合功㊙️能(neng)是很差的(de)。當金層厚(hou)度達0.25μm以上(shang)時，斷裂均(jun)在金線上(shang)，拉斷金線(xian)所需的平(ping)均拉力也(ye)很高，說明(ming)此時的鍵(jian)合功能已(yi)很好。在實(shi)際應用時(shi)，我們控制(zhi)化學鍍金(jin)層的厚度(du)在0.5-0.6μm，可比電(dian)鍍軟✍️金0.6-0.7μm略(lue)低，這是因(yin)爲化學鍍(du)金的平整(zheng)度比電🌈鍍(du)金的好，它(ta)不受電流(liu)分布的影(ying)響。
四  結論(lun)
1 用中性化(hua)學鍍金取(qu)代弱酸性(xing)置換鍍金(jin)時，它可以(yi)避免化學(xue)鍍鎳層的(de)腐蝕，從而(er)根本上消(xiao)除了在化(hua)學鍍鎳/置(zhi)換鍍金層(ceng)⛱️界面💯上出(chu)現黑色焊(han)區或黑帶(dai)👈的問題。
2 金(jin)厚度在0.25至(zhi)0.50μm的化學鍍(du)鎳/中性化(hua)學鍍金層(ceng)同時具有(you)💚優㊙️良的釺(qian)焊性和金(jin)線鍵合功(gong)能，因此它(ta)是理想的(de)電鍍鎳/電(dian)鍍🈲金的替(ti)代工藝，适(shi)于細線、高(gao)密度印制(zhi)闆使用。
3 電(dian)鍍鎳/電鍍(du)金工藝不(bu)适于電路(lu)來導通的(de)印制闆，而(er)中性化學(xue)鍍金無此(ci)限制，因而(er)具有廣闊(kuo)的應用前(qian)景👣。

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