印制闆(pan)鍍金工藝的釺(qian)焊性和鍵两男吮着她的❌花蒂尿 在线观看🌈合功(gōng)能

    通(tong)常的置換鍍金(jīn)（IG）液能夠腐蝕化(huà)學鍍鎳（EN）層，其結(jié)果是形成置換(huàn)金層，并将磷殘(cán)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(cheng)焊接不牢（Solder Joint Failure）金⛱️層(ceng)利落（Peeling）。延長鍍金(jin)的時☂️間雖可得(dé)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(tan)讨了形成黑色(sè)焊區的條件與(yǔ)機理，同時發現(xiàn)用中♌性化學🏃🏻鍍(du)金是解決印制(zhì)闆化學鍍鎳/置(zhi)換鍍金時出🏃‍♀️現(xian)黑色焊區問題(ti)的有效方法，也(ye)是取代電鍍鎳(niè)/電鍍軟金工🚶藝(yi)用于金線鍵合(hé)（Gold Wire Bonding）的有效工藝。
一(yī)  引言
    随着電子(zi)設備的線路設(shè)計越來越複雜(za)，線路密度🔞越來(lai)越高💃🏻，分離的線(xiàn)路和鍵合點也(yě)越來越多，許多(duō)複雜的印制闆(pan)要求它的最後(hou)表面化處理（Final Surface Finishing）工(gong)藝具♌有更多的(de)功能。即制造🏃工(gong)藝不僅可制成(chéng)線更細，孔更小(xiao)，焊區更平的鍍(du)🏃🏻層，而且所形成(cheng)的鍍㊙️層必須是(shì)可焊的、可鍵合(hé)的、長壽的，并具(ju)有低的接觸電(dian)阻。[1]
    目前适于金(jin)線鍵合的鍍金(jin)工藝是電鍍鎳(nie)/電鍍軟金工藝(yì)，它👣不僅鍍層軟(ruǎn)，純度高（最高可(kě)達99．99%），而且具有優(yōu)良的釺焊性🏃和(he)金線鍵合功能(neng)。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(yuan)，這需要花大🏃🏻量(liang)的人力和物力(li)，有時幾乎是不(bu)可能實現的。[2]另(ling)外電鍍金層的(de)厚度會随電鍍(du)時的電流密度(dù)而異，爲☂️保證最(zuì)低電流處👅的厚(hòu)度，電流密度高(gao)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(an)裝帶來麻煩。
    化(hua)學鍍鎳/置換鍍(dù)金工藝是全化(hua)學鍍工藝，它可(ke)用于非♍導通👨‍❤️‍👨線(xian)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(xian)鍵合而不适于(yú)金線鍵合。通常(chang)的置換鍍金液(yè)是弱酸性的，它(tā)能腐⛹🏻‍♀️蝕化學鍍(dù)鎳磷層（Ni2P）而形成(cheng)置換鍍金層，并(bìng)将🎯磷殘留在化(huà)學鍍鎳層表面(miàn)，形成黑色（焊）區(qū)（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(shi)圖通過延長⛱️鍍(du)金時間，提高🐆金(jīn)層厚度來解決(jue)這些問題，結果(guǒ)反而使金層的(de)結合力和鍵合(he)功能明顯下🈲降(jiàng)。[3]
    化學鍍鎳/化學(xué)鍍钯/置換鍍金(jīn)工藝也是全化(hua)學鍍工🔱藝，可用(yong)于非導通線路(lu)的印制闆，而且(qiě)鍵合功能優良(liáng)，然而釺焊性并(bìng)不十分好。開發(fa)這一新工藝的(de)早期目的是用(yong)價廉的钯代替(tì)㊙️金，然而近年來(lái)钯價⭕猛漲，已達(da)金價的3倍多，因(yīn)此應用會越來(lai)越少。
    化學鍍金(jin)是和還原劑使(shi)金絡離子直接(jie)被還原爲金🤩屬(shu)金，它并非通過(guo)腐蝕化學鍍鎳(niè)磷合金層來沉(chén)積金。因此用化(huà)學鍍鎳/化學鍍(du)金工藝來取代(dai)化學鍍鎳/置換(huàn)鍍金工藝，就可(ke)以從根本上♍消(xiao)除因置換🐇反應(ying)而引起的黑色(se)（焊）區問題。然而(er)普通的市售化(huà)學鍍金液大🌈都(dōu)是酸性的（PH4-6），因此(cǐ)它仍存在腐蝕(shí)化學鍍鎳磷合(hé)金的反應。隻有(yǒu)中性化學鍍金(jīn)才可避免置換(huan)反應🌈。實驗結🔴果(guǒ)表明，若用化學(xué)鍍鎳/中性化學(xué)鍍金或化學鍍(dù)鎳/置🔞換鍍金（<1min）/中(zhōng)性化學鍍💃金工(gōng)藝，就可以獲得(de)既無黑色焊區(qū)問題，又具有優(you)良的釺焊🥰性和(hé)鋁、金線鍵合🌐功(gōng)能的鍍層，它适(shi)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(zào)。
    自催化的化學(xué)鍍金工藝已進(jin)行了許多研究(jiū)，大緻可分🙇‍♀️爲有(yǒu)氰的和無氰的(de)兩類。無氰鍍液(yè)的成本較高，而(ér)🏃🏻‍♂️且鍍🈚液并不十(shi)分穩定。因此我(wo)們開發了一種(zhong)以氰化金鉀爲(wèi)金鹽的中性化(hua)學鍍金工藝，并(bìng)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(dù)金工藝組合的(de)釺焊性和鍵合(he)功能。
   二  實驗
1 鍵(jiàn)合性能測試（Bonding Tests）
鍵(jiàn)合性能測試是(shi)在AB306B型ASM裝配自動(dòng)熱聲鍵合機（ASM Assembly Automation Thermosonic Bonding Machine ）上(shang)進行。圖1和👅圖2是(shì)鍵合測試的結(jie)構圖。金線的一(yi)端被鍵合到🥵金(jīn)球上（見圖2左邊(biān)），稱爲球鍵（Ball Bond）。金線(xiàn)的另一端則被(bei)鍵合到金焊區(qū)（Gold pad）（見圖2右邊），稱爲(wèi)楔形鏈（Wedge Bond），然後用(yong)金屬挂鈎鈎住(zhù)金線并用力向(xiàng)上拉，直至金線(xiàn)斷裂并自動記(ji)下拉斷時的拉(lā)力♉。若斷裂在球(qiú)鍵或楔形鍵⁉️上(shàng)，表示鍵合不合(hé)格。若是金線本(ben)身被拉斷，則表(biao)示☂️鍵合良好，而(ér)拉斷⛱️金線所需(xu)的平均拉力（Average Pull Force ）越(yuè)大，表示鍵合強(qiang)度越高。
在本實(shi)驗中，金球鍵的(de)鍵合參數是：時(shi)間45ms、超聲能量設(shè)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(jian)合的操作溫🙇🏻度(du)爲140℃，金線直徑32μm（1．25mil）。
2 釺(qian)焊性測試（Solderability Testing）
釺焊(hàn)性測試是在DAGE-BT 2400PC型(xíng)焊料球剪切試(shì)驗機（Millice Solder Ball Shear Test Machine）上進行。先(xiān)在焊接點🌏上塗(tú)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(han)牢，最後将機器(qi)的剪切臂靠到(dao)焊👈料球上，用力(lì)向後推擠焊料(liao)球，直至焊料球(qiu)被推離焊☀️料接(jie)點，機🌈器會自動(dong)♍記錄推開焊料(liao)球所需的剪切(qiē)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(yan)射能量分析（EDX）
用(yong)JSM-5310LV型JOEL掃描電鏡來(lái)分析鍍層的表(biao)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(cun)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(jié)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(xué)鍍鎳的印制闆(pan)浸入弱酸性置(zhi)換鍍金液中，置(zhì)換金層将在化(huà)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(mian)上有一層黑色(se)的鎳層，而在此(ci)黑色鎳☁️層的下(xia)方，仍然存在未(wèi)變黑的化學鍍(du)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(shēn)處的黑色鎳層(ceng)呈帶狀，人們稱(chēng)之爲“黑🍓帶”（Black band），黑帶(dài)區磷含量高達(dá)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(hei)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(hēi)牙”（Black teeth）（見圖4）。
爲何在(zai)形成置換金層(céng)的同時會形成(cheng)黑色鎳層呢🛀？這(zhe)要從置🌈換反應(yīng)的機理來解釋(shi)。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(huan)境中它與金液(yè)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(lín)合金被金被腐(fǔ)蝕，其中鎳變成(cheng)🈲氰合鎳絡離子(zi)（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(yī)現象，我們也發(fā)現🌍若将化學鍍(dù)鎳層浸入其它(ta)強腐蝕（Microetch）溶液✍️中(zhōng)，它也同樣變黑(hēi)。EDX分⭐析表明，表🥰面(miàn)層的鎳含量由(you)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(jīn)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(lín)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(jiǎn)低，使🤟焊接強度(dù)大大減弱。此外(wai)，由于置換鍍金(jin)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(xiang)
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(dù)金（Immtrsion Gold， IG）
2） 通過化學還(hai)原反應的化學(xue)鍍金（Electroless Gold，EG）
置換鍍金(jīn)是通過化學鍍(du)鎳磷層同鍍金(jīn)液中的金氰絡(luo)離♌子的直接置(zhi)換反應而施現(xian)
Ni2P+4[Au（CN）2]―→4Au+2[Ni（CN）4]2―+P
如前所述，反應(ying)的結果是金的(de)沉積鎳的溶解(jiě)，不反應的磷則(zé)殘留在化學鍍(dù)鎳層的表面，并(bing)在金/鎳界面上(shàng)形成黑區（黑帶(dài)、黑牙…等形狀）。
另(lìng)一方面，化學鍍(du)金層是通過金(jīn)氰絡離子接被(bèi)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(yīng)的結果是金離(lí)子被還爲金屬(shǔ)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(can)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(xing)成黑帶。若用一(yi)💃🏻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(bú)再觀察到腐蝕(shí)或黑帶🔞，也就不(bu)會出現焊接不(bu)🏃‍♀️牢的問題👉。
4各種(zhong)印制闆鍍金工(gong)藝組合的釺焊(hàn)性比較
表2是用(yong)焊料球剪切試(shi)驗法（Solder Ball Shear Test）測定各種(zhong)印制闆鍍金👌工(gong)✊藝組合所得鍍(dù)層釺焊性的結(jie)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(duàn)裂；斷裂模式2表(biao)示斷裂發生在(zai)🔞焊球本身。
表2各(ge)種印制闆鍍金(jin)工藝組合所得(de)鍍層的釺焊性(xìng)比較
表2的結果(guǒ)表明，電鍍鎳/電(diàn)鍍軟金具有最(zuì)高的剪切強度(dù)🔴（1370g）或最牢的焊接(jie)。化學鍍鎳/中性(xìng)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(yú)800g。
5各種印制闆鍍(du)金工藝組合的(de)金線鍵合功能(neng)比較
表3是用ASM裝(zhuang)配自動熱聲鍵(jiàn)合機測定各種(zhong)印制闆鍍金工(gong)藝組合🚶所得鍍(dù)層的金線鍵合(hé)測試結果。
表3各(gè)種印制闆鍍金(jin)工藝組合所得(de)鍍層的金線鍵(jiàn)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(jin)球鍵（Ball Bond）處，有2個點(diǎn)斷裂在楔形鍵(jiàn)（Wedge Bond）或印制♌的鍍金(jin)焊點上（Gold Pad），而良好(hǎo)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(hé)。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(dian)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(jīn)層有較高的純(chun)度（磷不合共沉(chén)積）和較低硬度(du)（98VHN25）的緣故。
6化學鍍(dù)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(ding)的厚度。爲此我(wǒ)們有各性♉化學(xué)鍍金方法分别(bie)鍍取0.2至0.68μm厚的金(jin)層，然後測定其(qi)鍵🔆合性能。表4列(liè)出了不同金層(céng)厚度時所得的(de)平均拉力（Average Pull Force）和斷(duàn)裂模式（Failure Mode）。
表4化學(xue)鍍金層的厚度(du)對金線鍵合功(gong)能的影響
由表(biǎo)4可見，當化學鍍(dù)金層厚度在0.2μm時(shi)，斷裂有時會出(chu)現在楔形鍵上(shàng)，有時在金線上(shang)，這表明0.2μm厚度時(shi)的金線鍵合功(gōng)能是很差🌈的。當(dāng)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(jun)拉力也很高，說(shuō)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(zai)0.5-0.6μm，可比電鍍軟金(jīn)0.6-0.7μm略低，這是因爲(wei)化學鍍金的平(píng)整度比電🌐鍍金(jin)的好，它不受電(diàn)流分布的影響(xiǎng)。
四  結論
1 用中性(xìng)化學鍍金取代(dài)弱酸性置換鍍(dù)金時，它可以避(bì)免化學鍍鎳層(ceng)的腐蝕，從而根(gēn)本上消除了在(zai)化🏃‍♂️學鍍鎳/置換(huan)鍍✉️金層界面上(shang)出現黑色焊區(qu)或黑帶❄️的問題(tí)。
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(tong)時具有優🛀良🈲的(de)釺焊性和金線(xiàn)鍵合功能，因此(cǐ)它是理想的電(diàn)鍍鎳🤟/電鍍金的(de)替代工藝，适于(yu)細線、高密度印(yìn)制闆使用。
3 電鍍(du)鎳/電鍍金工藝(yi)不适于電路來(lái)導通的印制闆(pan)，而中❄️性化學鍍(dù)金無此限制，因(yīn)而具有廣闊的(de)應用前景。

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