摘要
????通常的置換鍍金（IG）液能夠腐蝕化學(xué)鍍鎳（EN）層，其結(jié)果是形成置換金層，并將磷殘留在化學(xué)鍍鎳層表面，使EN/IG兩層之間容易形成黑色（焊）區(qū)（Black pad），它在焊接時常造成焊接不牢（Solder Joint Failure）金層利落（Peeling）。延長鍍金的時間雖可得加較厚的金層，但金層的結(jié)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(qū)的條件與機理，同時發(fā)現(xiàn)用中性化學(xué)鍍金是解決印制板化學(xué)鍍鎳/置換鍍金時出現(xiàn)黑色焊區(qū)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 Bonding）的有效工藝。
一??引言
????隨著電子設(shè)備的線路設(shè)計越來越復(fù)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(fù)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(xì)，孔更小，焊區(qū)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(yōu)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(dǎo)通線路的印制板，而要將多層板的所有線路光導(dǎo)通，然后再復(fù)原，這需要花大量的人力和物力，有時幾乎是不可能實現(xiàn)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(xué)鍍鎳/置換鍍金工藝是全化學(xué)鍍工藝，它可用于非導(dǎo)通線路的印制板。這種鍍層組合的釬焊性優(yōu)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(xué)鍍鎳磷層（Ni2P）而形成置換鍍金層，并將磷殘留在化學(xué)鍍鎳層表面，形成黑色（焊）區(qū)（Black pad），它在焊接焊常造成焊接不牢（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(jié)果反而使金層的結(jié)合力和鍵合功能明顯下降。
????化學(xué)鍍鎳/化學(xué)鍍鈀/置換鍍金工藝也是全化學(xué)鍍工藝，可用于非導(dǎo)通線路的印制板，而且鍵合功能優(yōu)良，然而釬焊性并不十分好。開發(fā)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3倍多，因此應(yīng)用會越來越少。
????化學(xué)鍍金是和還原劑使金絡(luò)離子直接被還原為金屬金，它并非通過腐蝕化學(xué)鍍鎳磷合金層來沉積金。因此用化學(xué)鍍鎳/化學(xué)鍍金工藝來取代化學(xué)鍍鎳/置換鍍金工藝，就可以從根本上消除因置換反應(yīng)而引起的黑色（焊）區(qū)問題。然而普通的市售化學(xué)鍍金液大都是酸性的（PH4-6），因此它仍存在腐蝕化學(xué)鍍鎳磷合金的反應(yīng)。只有中性化學(xué)鍍金才可避免置換反應(yīng)。實驗結(jié)果表明，若用化學(xué)鍍鎳/中性化學(xué)鍍金或化學(xué)鍍鎳/置換鍍金（<1min）/中性化學(xué)鍍金工藝，就可以獲得既無黑色焊區(qū)問題，又具有優(yōu)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(xué)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(wěn)定。因此我們開發(fā)了一種以氰化金鉀為金鹽的中性化學(xué)鍍金工藝，并申請了專利。本文主要介紹中性化學(xué)鍍金工藝與其它咱鍍金工藝組合的釬焊性和鍵合功能。
二??實驗
1 鍵合性能測試（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 Bonding Machine ）上進行。圖1和圖2是鍵合測試的結(jié)構(gòu)圖。金線的一端被鍵合到金球上（見圖2左邊），稱為球鍵（Ball Bond）。金線的另一端則被鍵合到金焊區(qū)（Gold pad）（見圖2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 Force ）越大，表示鍵合強度越高。
在本實驗中，金球鍵的鍵合參數(shù)是：時間45ms、超聲能量設(shè)定55、力55g；而楔形鍵的鍵合參數(shù)是：時間25ms、超聲能量設(shè)定180、力155。兩處鍵合的操作溫度為140℃，金線直徑32μm（1．25mil）。
2 釬焊性測試（Solderability Testing）
釬焊性測試是在DAGE-BT 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（Reflow）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。
3 掃描電鏡（SEM）和X-射線電子衍射能量分析（EDX）
用JSM-5310LV型JOEL掃描電鏡來分析鍍層的表面結(jié)構(gòu)及剖面（Cross Section）結(jié)構(gòu)，從金/鎳間的剖面結(jié)構(gòu)可以判斷是否存在黑帶（Black band）或黑牙（Black Teeth）等問題。EDX可以分析鍍層中各組成光素的相對百分含量。
三??結(jié)果與討論
1 在化學(xué)鍍鎳/置換鍍金層之間黑帶的形成
將化學(xué)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(xué)鍍鎳層表面形成。若小心將置換金層剝掉，就會發(fā)現(xiàn)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(xué)鍍鎳層。有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(qū)磷含量高達12.84%，而在政黨化學(xué)鍍鎳區(qū)磷含量只有8.02%（見圖3）。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4）。
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(yīng)的機理來解釋。大家知道，化學(xué)鍍鎳層實際上是鎳磷合金鍍層（Ni2P）。在弱酸性環(huán)境中它與金液中的金氰絡(luò)離子發(fā)生下列反應(yīng)：
Ni2P+4[Au（CN）2]― →4Au+2[Ni（CN）4]2―+P
結(jié)果是金層的形成和鎳磷合金被金被腐蝕，其中鎳變成氰合鎳絡(luò)離子（Ni（CN）4）2―，而磷則殘留在表面。磷的殘留將使化學(xué)鍍鎳層變黑，并使表面磷含量升高。為了重現(xiàn)這一現(xiàn)象，我們也發(fā)現(xiàn)若將化學(xué)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%。
2 黑色（焊）區(qū)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(dāng)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0.1μm都很低。因此它最適于鋁線鍵合，而不能用于金線鍵合。
3置換鍍金液的PH值對化學(xué)鍍鎳層腐蝕的影響
無電（解）鍍金可通過兩種途徑得到：
1） 通過置換反應(yīng)的置換鍍金（Immtrsion Gold， IG）
2） 通過化學(xué)還原反應(yīng)的化學(xué)鍍金（Electroless Gold，EG）
置換鍍金是通過化學(xué)鍍鎳磷層同鍍金液中的金氰絡(luò)離子的直接置換反應(yīng)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(jié)果是金的沉積鎳的溶解，不反應(yīng)的磷則殘留在化學(xué)鍍鎳層的表面，并在金/鎳界面上形成黑區(qū)（黑帶、黑牙…等形狀）。
另一方面，化學(xué)鍍金層是通過金氰絡(luò)離子接被次磷酸根還原而形成的
2[Au（CN）2]―+H2PO―2 +H2O→2Au +A2PO―3 +4CN―+H2↑
反應(yīng)的結(jié)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，這與反應(yīng)并不涉及到化學(xué)鍍鎳磷合金的腐蝕或磷的殘留，也就不會有黑區(qū)問題。
表1用SEM剖面分析來檢測各種EN/金組合的黑帶與腐蝕
結(jié)果表明，黑帶（Black Band）或黑區(qū)（Black pad）問題主要取決于鍍金溶液的PH值。PH值越低，它對化學(xué)鍍鎳層的腐蝕越快，也越容易形成黑帶。若用一步中性化學(xué)鍍金（EN/EG-1）或兩步中性化學(xué)鍍金（EN/EG-1/EG-2），就不再觀察到腐蝕或黑帶，也就不會出現(xiàn)焊接不牢的問題。
4各種印制板鍍金工藝組合的釬焊性比較
表2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(jié)果。表中的斷裂模式（Failure mode）1表木焊料從金焊點（Gold pad）處斷裂；斷裂模式2表示斷裂發(fā)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
表2的結(jié)果表明，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(xué)鍍鎳/中性化學(xué)鍍金/中性化學(xué)鍍金也顯示非常好的剪切強度要大于800g。
5各種印制板鍍金工藝組合的金線鍵合功能比較
表3是用ASM裝配自動熱聲鍵合機測定各種印制板鍍金工藝組合所得鍍層的金線鍵合測試結(jié)果。
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(jié)果
由表3可見，傳統(tǒng)的化學(xué)鍍鎳/置換鍍金方法所得的鍍層組合，有8個點斷裂在金球鍵（Ball Bond）處，有2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(xué)鍍鎳/置換鍍金工藝是不能用于金線鍵合?；瘜W(xué)鍍鎳/中性化學(xué)鍍金/中性化學(xué)鍍金工藝所得鍍層的鍵合功能是優(yōu)良的，它與化學(xué)鍍鎳/化學(xué)鍍鈀/置換鍍金以及電鍍鎳/電鍍金的鍵合性能相當(dāng)。我們認(rèn)出這是因為化學(xué)鍍金層有較高的純度（磷不合共沉積）和較低硬度（98VHN25）的緣故。
6化學(xué)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。為此我們有各性化學(xué)鍍金方法分別鍍?nèi)?.2至0.68μm厚的金層，然后測定其鍵合性能。表4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）。
表4化學(xué)鍍金層的厚度對金線鍵合功能的影響
由表4可見，當(dāng)化學(xué)鍍金層厚度在0.2μm時，斷裂有時會出現(xiàn)在楔形鍵上，有時在金線上，這表明0.2μm厚度時的金線鍵合功能是很差的。當(dāng)金層厚度達0.25μm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(yīng)用時，我們控制化學(xué)鍍金層的厚度在0.5-0.6μm，可比電鍍軟金0.6-0.7μm略低，這是因為化學(xué)鍍金的平整度比電鍍金的好，它不受電流分布的影響。
四??結(jié)論
1 用中性化學(xué)鍍金取代弱酸性置換鍍金時，它可以避免化學(xué)鍍鎳層的腐蝕，從而根本上消除了在化學(xué)鍍鎳/置換鍍金層界面上出現(xiàn)黑色焊區(qū)或黑帶的問題。
2 金厚度在0.25至0.50μm的化學(xué)鍍鎳/中性化學(xué)鍍金層同時具有優(yōu)良的釬焊性和金線鍵合功能，因此它是理想的電鍍鎳/電鍍金的替代工藝，適于細(xì)線、高密度印制板使用。
3 電鍍鎳/電鍍金工藝不適于電路來導(dǎo)通的印制板，而中性化學(xué)鍍金無此限制，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。