適用于IC封裝的表面涂覆層——化學(xué)鍍鎳、鈀、金的未來

林金堵

CPCA顧問 本刊主編

吳梅珠

（江南計算技術(shù)研究所，江蘇 無錫 214083）

便攜電子產(chǎn)品的迅速增長，如手機（Call Phones）、個人數(shù)字輔助工具、攝錄機等等，要求和推動這些電子產(chǎn)品走向更小、更快、更輕和更多功能化方向發(fā)展。盡管這些電子產(chǎn)品增加了不少功能特性，但是沒有改變、甚至還減少了它們的尺寸。在IC的封裝上，為了滿足技術(shù)和市場的需求，采用系統(tǒng)封裝迅速增加了。系統(tǒng)封裝（SIP，System in Package）的特點是具有多個不同功能的有源元件的任何組合、加上合適的無源元件和其它裝置像微機電系統(tǒng)（MEMS，Microelectromechanical System）或光元（組）件等組合形成更可取的統(tǒng)一標準（Single Standard）的封裝，它提供具有系統(tǒng)或子系統(tǒng)的綜合多功能的特點[1]（參見圖1）。

圖1 安裝有裸芯片（die）和無源元件的PBGA基板的SIP剖視圖

系統(tǒng)封裝SIP（有的文章稱謂SOP，System on Package）往往要求在封裝基板上同時既有適用于倒芯片（FC）的金屬絲鍵合（搭接，Wire Bonding），又有表面安裝（SMT）的加工工藝，因而將影響到IC封裝基板的變化與效果，這就需要為不同種類組裝元件采用不同組裝技術(shù)提供一個合適的平臺。而且隨著SIP的封裝密度的不斷提高，采用金屬絲鍵合（WB，Wire Bonding）技術(shù)的機率將越來越多，因此，可用于金屬絲鍵合的表面鍍覆的IC封裝基板也會越來越多，這就是說，采用化學(xué)鍍或電鍍的鎳/金或鎳/鈀/金技術(shù)、特別是化學(xué)鍍鎳/鈀/金更具有優(yōu)越性。

1 鎳-鈀-金表面涂覆的應(yīng)用

鈀鍍覆層（膜）是具有好的金絲鍵合（Gold Wire Bonding）和可焊性的。它用于或提供給IC引線框架（IC Lead Frames）也有好多年了[2][3]。鈀和金的典型厚度分別為0.1 mm ～ 0.15 mm和0.005 mm。IC引線框架采用鈀鍍層的首要目的是減少組裝、封裝時間，因為可省略去多重（次）鍍覆工藝過程，如外部引腳（Outer Lead）需要涂（鍍）覆焊料（即熱風(fēng)整平或浸涂），而在封裝工藝的鍵合區(qū)域（Bonding Area）則不要求鍍銀?，F(xiàn)在，還要考慮到滿足RoHS管理（指令）要求的無鉛的鍍覆層（耐高溫抗氧化等）才行。

用于IC封裝的PCB基板——特別是SiP的基板產(chǎn)品，采用化學(xué)鍍鎳、化學(xué)鍍鈀和浸金（ENEPIG）工藝是很合適的選擇。正如電解（鍍）的鎳、鈀和浸金的鍍層一樣，ENEPIG層也是在焊接和金屬絲鍵合等兩方面都是很好的涂覆層。在化學(xué)鍍鎳上再化學(xué)鍍鈀0.2 mm和浸金0.03 mm就可提供好的金屬絲鍵合（Wire Bonding）和焊接的能力。與電解工藝所不同的是，ENEPIG工藝不能適合于匯流條連接（Bussing Lines）的要求[1]，因為匯流條應(yīng)為電路設(shè)計提供額外的機動性（Extra Flexibility）和具有先進電路產(chǎn)品與特性需求的高密度設(shè)計的能力（圖2）。

不像化學(xué)鍍鎳浸金那樣，化學(xué)鍍鎳、化學(xué)鍍鈀和浸金不會發(fā)生“黑盤”（Black Pad，實際上表現(xiàn)為黑斑為多）問題，因為在化學(xué)鍍鎳上化學(xué)鍍鈀的反應(yīng)是采用化學(xué)還原而不是置換反應(yīng)（即在化學(xué)鍍鎳上采用化學(xué)浸鈀不是化學(xué)鍍鈀），所以，在這里對化學(xué)鎳層不會發(fā)生腐蝕（Attack）作用。

采用俄歇分析（Auger Annlysis）表明，鎳層和鈀層之間存在著富磷層（Rich Phosphorus Layer），而鈀層和金層之間不存在著富磷層問題。這表明鎳鍍層在鍍鈀后，為什么鍍鎳層不會發(fā)生被“腐蝕”現(xiàn)象、也不會在鍍鈀（或浸鈀）再浸金后的發(fā)生額外腐蝕問題。因為，這是化學(xué)鍍鈀的低磷含量（～3%）和低厚度的浸金而造成的。

采用掃描電子顯微鏡（SEM，Scanning Electron Microscope），如圖3所示，它清楚表明，在化學(xué)鍍鎳表面和晶界上所觀察到的情況也不存在著過多的腐蝕現(xiàn)象。從功能上看，ENEPIG所具有的可焊性和可鍵合性是類似與ENIG的。圖3分別表示在化學(xué)鍍鎳、鈀和金后，在剝離金前（圖3左）后（圖3右）的SEM分析圖。

從成本的角度上看，鈀的價格是金價格的一半，同時，鈀的密度是金密度的1/2，金層厚度可更薄，因此，采用ENEPIG工藝，可節(jié)省50%以上，更重要地是提高了焊接的可靠性和使用壽命！

2 化學(xué)鍍鎳/化學(xué)鍍鈀浸金所涉及技術(shù)方面

2.1 組裝參數(shù)的重復(fù)最佳化

化學(xué)鍍鎳/鈀/金必須滿足金屬絲鍵合和焊接兩方面參數(shù)要求并能夠達到重復(fù)最佳化的程度。

2.2 用于無鉛焊接方面

（1）形成三元(Cu,Ni)6Sn5的IMC（Intermetallic Compound）。

化學(xué)鎳鍍層用于無鉛焊接的有關(guān)IMC問題。以Sn-Ag-Cu無鉛為主體的焊料來說，當進行再流焊后的微結(jié)構(gòu)是由少量Ag3Sn和Ni3Sn4顆粒分散在大量錫基質(zhì)中而組成的。在焊接的過程中，鈀和金迅速地熔解而進入到熔融的焊料里，從而使焊料與底層的鎳進行接觸并形成IMC（界面合金共化物，或金屬間互化物）化合物。從焊盤上來的的鎳和從焊料中來的錫、銅一起參與反應(yīng)，并在界面處形成三元金屬(Cu,Ni)6Sn5互化物，而在鍍鎳層的表面上（或頂部）則形成Ni3Sn4。由于Ni3Sn4和(Cu,Ni)6Sn5之間的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和晶格的差別存在著高的錯位密度，因而在Ni3Sn4/(Cu,Ni)6Sn5的界面處會引起空洞的發(fā)生并增加失效的機率。但是，作為IC的應(yīng)用上，由于采用底部充填（Underfull）的焊接點來說，這種的危險趨勢是很小的，或者說是不存在的。

（2）形成AuSn4金屬間化合物。

盡管在焊接過程中，鈀和金是屬于‘犧牲性’鍍覆層，因而在焊接時都熔融進入到焊點的焊料內(nèi)。其中：鈀在焊接溫度下的熔解度僅為金的熔解度的1/65，而且熔解的鈀是不會形成IMC的并浮在焊點的表面上，形成一層堅固而穩(wěn)定的保護層，保護了焊點（因為氧化慢得多）；而熔解的金是進入到焊料內(nèi)并形成AuSn4金屬間化合物，這種AuSn4的金屬間化合物的含量多（特別是金含量超過3%質(zhì)量比）時，將呈現(xiàn)出明顯的脆性，影響焊點的可靠性。因此，采用化學(xué)鎳/鈀/金工藝，可以盡量降低浸金的厚度，而減少金層的厚度，不僅可以帶來降低產(chǎn)品成本，而且更重要地是提高焊接的可靠性

（3）用于金屬絲鍵合方面——化學(xué)鍍鎳/鈀/金在金屬絲鍵合（WB）方面，經(jīng)過幾十年的應(yīng)用表明是完全可以勝任的?；瘜W(xué)鍍鎳/鈀/金層，不僅達到可金屬絲鍵合的化學(xué)鍍鎳/金層的效果，而且可大大節(jié)省成本。

3 化學(xué)鎳/化學(xué)鈀/浸金的可靠性和成本方面

比起ENIG來，ENEPIG的可靠性和成本方面要優(yōu)越多了。

3.1 ENEPIG的可靠性

化學(xué)鍍鎳化學(xué)鍍鈀浸金的產(chǎn)品經(jīng)過10次回流焊和500次高低溫循環(huán)以及在150 ℃下老化1000小時后的結(jié)果（如圖4和圖5所示）表明[1]，樣品的界面的互化物（IMC）厚度的變化是很小的，這表示其可靠性是不成問題的。

3.2 ENEPIG的成本方面

關(guān)于ENEPIG的材料成本方面，對于可鍵合（Bondable）的電鍍金工藝或可鍵合化學(xué)鍍金工藝而言，采用ENEPIG工藝是來得便宜的。假定金屬金和金屬鈀的價格分別為每克18美圓（￥18/g）與每克9.6美圓（￥9.6/g），由于金的密度為19 g/cm3，而鈀的密度為10 g/cm3，相差約1倍。如果鍍覆相同厚度的話，則鈀金屬的成本大約為金成本的1/4而已[1]。用于可鍵合的表面鍍覆（ENIGH或ENEPIG）的PCB產(chǎn)品，其銷售價格為每平方英寸5美圓（￥5/sq.ft），若表面涂（鍍）覆采用化學(xué)鎳、鈀、金工藝加工取代化學(xué)鍍鎳/化學(xué)鍍金（注意：這里是指可鍵合用的金層，而不是指焊接用的金層）可以節(jié)省成本到80%。

總之，化學(xué)鍍鎳/化學(xué)鍍鈀/浸金工藝所得到的金屬鍍覆層，它是一種“萬能”的表面涂（鍍）覆層，通過控制化學(xué)鍍鈀和化學(xué)浸金的厚度，不僅可用于無鉛焊接條件，而且能夠滿足金屬絲鍵合（WB，Wire Bonding）的要求。采用化學(xué)鍍鎳/鈀/金取代化學(xué)鍍鎳/金，不僅可明顯降低成本，而且有利于提高焊接的可靠性。隨著IC封裝基板的迅速增長和系統(tǒng)封裝（SIP）的快速發(fā)展，采用金屬絲鍵合（FC安裝）工藝將越來越多，因此，化學(xué)鍍（或電鍍）鎳/化學(xué)鍍鈀/浸金的應(yīng)用將具有很好的發(fā)展前景。

參考資料

[1]Dennis K.W.Yee;New final finish candidate for IC package[J]. Circuitree, 2007(1):10-11.

[2]林金堵, 龔永林, 陳陪良. 現(xiàn)代印制電路基礎(chǔ)(第四版)[M]. 中國印制電路行業(yè)協(xié)會(CPCA), 印制電路信息雜志社(PCI), 2004, (12):201-234.

[3]盧爾柏德 斯特. 以鈀作擴散阻擋層——一種多功能線路板表面處理方法[J]. 印制電路信息, 2009(3):41-44.