基于有機(jī)基板的化學(xué)鎳鈀浸金工藝應(yīng)用與測(cè)評(píng)

劉彬燦，李軼楠

（1.深圳市化訊半導(dǎo)體材料有限公司，廣東深圳 518000；2.無(wú)錫中微高科電子有限公司，江蘇無(wú)錫 214035）

0 引言

在電子封裝行業(yè)，有機(jī)封裝基板主要起到承載芯片、為芯片提供電氣連接及散熱等作用，其應(yīng)用比較廣泛。近年來(lái)，許多研究者對(duì)基于有機(jī)基板的化學(xué)鎳鈀浸金工藝進(jìn)行研究，研究?jī)?nèi)容主要聚焦于工藝參數(shù)對(duì)鍍層性能的影響，工藝參數(shù)主要包括溫度、pH 值、電流密度等。此外，研究者還探討了有機(jī)基板材料的特點(diǎn)及其對(duì)鍍層性能的影響[1-4]，這些研究為本文提供了理論依據(jù)和參考。封裝基板的表面處理工藝種類繁多，主要包括浸錫、浸銀、有機(jī)可焊性保護(hù)劑工藝、電鍍鎳金、化學(xué)鍍鎳浸金等。由于電子封裝產(chǎn)品對(duì)回流次數(shù)、存儲(chǔ)時(shí)間和電氣互連性能的要求越來(lái)越高，優(yōu)化表面處理工藝以滿足電子產(chǎn)品對(duì)高質(zhì)量、低成本封裝的要求成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。

化學(xué)鎳鈀浸金工藝具有高可靠、低成本的特點(diǎn)，在硬質(zhì)電路板、有機(jī)基板和金屬基板的制造過(guò)程中被廣泛應(yīng)用?；瘜W(xué)鎳鈀浸金工藝在封裝領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì)，該工藝可以優(yōu)化金絲球焊作業(yè)性能，提高了焊點(diǎn)可靠性并增強(qiáng)了產(chǎn)品對(duì)多次回流焊的耐受能力。采用該工藝的電子產(chǎn)品貯存時(shí)間長(zhǎng)，可以很好地滿足環(huán)氧塑封工藝和焊接工藝的要求[5]，因此化學(xué)鎳鈀浸金工藝被稱為最理想的表面處理技術(shù)之一。該工藝是在化學(xué)鎳金工藝基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，化學(xué)鎳金工藝是在銅的表面化鍍上導(dǎo)電性能優(yōu)良的鎳和金，通過(guò)涂層使產(chǎn)品獲得較長(zhǎng)時(shí)間的保護(hù)?；瘜W(xué)鎳鈀浸金工藝?yán)没冩嚒⒒冣Z及化學(xué)浸金的方式對(duì)銅表面進(jìn)行處理，在鎳鍍層和金鍍層之間增加了1 層鈀鍍層作為阻擋層。該阻擋層減少了鎳金原子之間的相互擴(kuò)散，能夠避免鎳鍍層在發(fā)生取代反應(yīng)時(shí)被腐蝕，可以有效避免在化學(xué)浸金過(guò)程中因焊盤黑化而導(dǎo)致的焊盤失效[6]。

由于化學(xué)鎳鈀浸金工藝流程較長(zhǎng)，整個(gè)工藝過(guò)程中涉及到多種藥水，且藥水處于持續(xù)變化狀態(tài)，藥水的變化導(dǎo)致工藝參數(shù)、藥水溫度、藥水pH 值、藥水濃度之間存在交互影響，因此，在實(shí)際加工過(guò)程中，對(duì)化學(xué)鎳鈀浸金鍍層質(zhì)量的控制比較困難。本文通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法研究化學(xué)鎳鈀浸金工藝過(guò)程，針對(duì)鍍層致密性和耐腐蝕性提出性能測(cè)評(píng)方法，為基于有機(jī)基板的化學(xué)鎳鈀浸金工藝應(yīng)用提供了優(yōu)化方案，不僅有助于降低生產(chǎn)成本，同時(shí)豐富了化學(xué)鎳鈀浸金工藝的研究?jī)?nèi)容，為推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供有力支持。

1 化學(xué)鎳鈀浸金工藝及失效情況

1.1 化學(xué)鎳鈀浸金工藝原理

采用化學(xué)鎳金工藝可在基板上形成3 層金屬結(jié)構(gòu)，3 層結(jié)構(gòu)分別為銅層、鎳鍍層、金鍍層?；瘜W(xué)鎳鈀浸金工藝主要是在化學(xué)鎳金工藝的基礎(chǔ)上增加化鍍鈀處理環(huán)節(jié)，從而形成了銅層、鎳鍍層、鈀鍍層、金鍍層4層金屬結(jié)構(gòu)，即在鎳鍍層和金鍍層之間增加了1 層鈀鍍層。鈀鍍層能夠阻擋鎳原子向金鍍層擴(kuò)散，從而起到抑制鎳腐蝕的作用。相比金鍍層，鈀鍍層的結(jié)構(gòu)更加致密，其具有抗氧化和抗腐蝕的作用，提高了鍍層的化學(xué)穩(wěn)定性。在化學(xué)鎳鈀浸金工藝中，鈀鍍層的形成主要通過(guò)氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)，其反應(yīng)方程式為

通過(guò)置換反應(yīng)能夠?qū)⑩Z金屬和鎳離子置換出來(lái)，其反應(yīng)方程式為

當(dāng)鈀鍍層較厚時(shí)，致密的鈀鍍層會(huì)阻礙金與鎳的置換，金主要與鈀進(jìn)行置換，導(dǎo)致金在沉積過(guò)程中分布不均勻，金鍍層的外觀存在色差。當(dāng)鈀鍍層較薄時(shí)，液態(tài)金通過(guò)鈀鍍層的晶格間隙與鎳鍍層接觸，金會(huì)同時(shí)和鈀、鎳發(fā)生置換，鈀鍍層和鎳鍍層之間會(huì)出現(xiàn)剝離現(xiàn)象。

1.2 化學(xué)鎳鈀浸金工藝過(guò)程

化學(xué)鎳鈀浸金工藝是一種非選擇性的表面加工工藝，其工藝流程包括：1）酸洗；2）對(duì)基板進(jìn)行化學(xué)除油和電解除油，再進(jìn)行熱水洗和雙水洗；3）預(yù)浸和活化；4）沉鎳、沉鈀、沉金，每一次沉積后都要進(jìn)行雙水洗，將經(jīng)過(guò)金屬沉積和水洗的基板取出并干燥。

由于不同廠商使用的藥水特性不同，氣體流量不同，其具體的工藝過(guò)程也有所不同。有些制造商會(huì)引入微蝕刻技術(shù)以提高透明度和洗滌效果，在酸洗后加入化學(xué)鈀溶液，以避免因鎳泄漏而導(dǎo)致的半塞孔內(nèi)的液體殘留，從而大大提升了清洗效率。為了提升鍍層的均勻性，有些生產(chǎn)廠家在化學(xué)浸金工藝中采用化學(xué)薄金工藝，即使用金來(lái)代替鎳。有些廠家則選擇化學(xué)厚金工藝，即在薄金鍍層的基礎(chǔ)上利用堿還原技術(shù)增加金的厚度，化學(xué)薄金和化學(xué)厚金工藝均可以增加鍍層的均一性。因此，在選擇藥水的過(guò)程中，要同時(shí)兼顧工藝配套性與藥水穩(wěn)定性。

1.3 焊盤黑化異常

化學(xué)鎳鈀浸金工藝中涉及眾多工藝參數(shù)，如藥液濃度、藥液溫度等參數(shù)，且參數(shù)之間存在交互關(guān)系。因此，化學(xué)鎳鈀浸金工藝的良率控制難度較大，該環(huán)節(jié)也是失效現(xiàn)象高發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?；瘜W(xué)鎳鈀浸金工藝的典型失效情況如表1 所示，圖1 為有、無(wú)鎳腐蝕現(xiàn)象的鎳鍍層表面掃描電子顯微鏡（SEM）圖。

圖1 有、無(wú)鎳腐蝕現(xiàn)象的鎳鍍層表面掃描電子顯微鏡（SEM）照片[9]

表1 化學(xué)鎳鈀浸金工藝的典型失效情況

無(wú)鎳腐蝕現(xiàn)象的鎳鍍層表面如圖1（a）所示，鎳鍍層邊緣清晰完整，晶格界限清晰可見(jiàn)。有鎳腐蝕現(xiàn)象的鎳鍍層表面如圖1（b）所示，晶格界限變得粗糙。鎳腐蝕將嚴(yán)重影響后續(xù)芯片鍵合、倒裝等工序的良率及可靠性，因此應(yīng)防止焊盤黑化的發(fā)生。

采用化學(xué)鎳鈀浸金工藝可以在鎳鍍層表面形成致密的鈀鍍層，其對(duì)鎳鍍層具有保護(hù)作用，進(jìn)而避免產(chǎn)生“黑鎳”，能夠大幅減少焊盤黑化的發(fā)生。金屬鈀具有較高的熔點(diǎn)，在高溫焊接時(shí)鈀在焊料中的擴(kuò)散速率比金在焊料中的擴(kuò)散速率慢，鈀在焊料中形成的屏障效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)鎳鍍層的有效保護(hù)。此外，鈀的硬度較高，不僅可以提高焊接可靠性，還可以提高金屬層的整體耐磨性能[10]。在焊接過(guò)程中形成了錫-鈀合金，該合金具有較強(qiáng)的抗腐蝕能力，可以提高產(chǎn)品的使用壽命。金屬鈀在保護(hù)鎳鍍層的同時(shí)可以作為金的替代品使用，以減少金的使用量，在相同鍍層厚度的條件下，使用鈀代替金大約可以節(jié)省60%的成本[11]。

2 化學(xué)鎳鈀浸金鍍層質(zhì)量

由于化學(xué)鎳鈀浸金工藝復(fù)雜性和多變性，其在封裝過(guò)程中容易引發(fā)異常，因此需要對(duì)化學(xué)鎳鈀浸金鍍層質(zhì)量進(jìn)行控制才能達(dá)到理想的工藝效果。通過(guò)對(duì)化學(xué)鎳鈀浸金工藝的研究并參考相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)出化學(xué)鎳鈀浸金鍍層質(zhì)量?jī)?yōu)良的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如表2 所示。

表2 化學(xué)鎳鈀浸金鍍層質(zhì)量?jī)?yōu)良的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 化學(xué)鎳鈀浸金工藝參數(shù)的影響

由于工藝參數(shù)的控制差異或穩(wěn)定性問(wèn)題，產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性極易受到影響。不同廠家在工藝過(guò)程中使用的電鍍藥水、監(jiān)控方法及參數(shù)控制水平均不相同。采用SEM 測(cè)量不同廠家樣品的化學(xué)鎳鈀浸金鍍層厚度。a 樣品為國(guó)內(nèi)某化學(xué)鎳鈀浸金廠家的產(chǎn)品，b樣品為國(guó)外某化學(xué)鎳鈀浸金廠家的產(chǎn)品，c 樣品為深圳市化訊半導(dǎo)體材料有限公司的產(chǎn)品，不同廠家樣品的化學(xué)鎳鈀浸金鍍層厚度如表3 所示。

表3 不同廠家樣品的化學(xué)鎳鈀浸金鍍層厚度

由表3 可知，不同廠家樣品的化學(xué)鎳鈀浸金鍍層厚度存在差異。然而，只要鍍層中的晶粒完整性得以保持，晶粒間晶界的氧化物等生成物符合規(guī)定要求，這些差異通常不會(huì)對(duì)產(chǎn)品的整體性能產(chǎn)生顯著影響。圖2 為不同廠家樣品的化學(xué)鎳鈀浸金鍍層的SEM圖。

圖2 不同廠家的化學(xué)鎳鈀浸金樣品鍍層的SEM 圖

由圖2 可知，a 樣品的鍍層出現(xiàn)了脆性斷裂，b 和c 樣品的鍍層均勻、致密且平整，這說(shuō)明在化學(xué)鎳鈀浸金工藝中，對(duì)藥水和鍍層的監(jiān)控至關(guān)重要，只有均勻、致密的鍍層才可以有效避免鎳腐蝕等問(wèn)題的產(chǎn)生。

2.2 采用X-Ray 測(cè)量鍍層厚度

使用X-Ray 對(duì)c 廠家產(chǎn)品的化學(xué)鎳鈀浸金鍍層的不同區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，選擇3 個(gè)樣品分別進(jìn)行測(cè)量，在同一樣品的鍍層上選擇3 個(gè)不同的位置分別進(jìn)行測(cè)量，鎳鈀浸金鍍層不同位置的厚度如表4 所示。表4 和表3 的數(shù)據(jù)差異揭示了不同測(cè)量手段在評(píng)估鍍層特性時(shí)可能產(chǎn)生的不一致性。因此在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中可利用X-Ray 和SEM 測(cè)量相結(jié)合的方式對(duì)生產(chǎn)工藝穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)控。

表4 c 廠家產(chǎn)品化學(xué)鎳鈀浸金鍍層不同位置的厚度

鈀鍍層的厚度既不能太厚也不能太薄。鈀鍍層太薄無(wú)法起到抗氧化和抗腐蝕的效果，鈀鍍層太厚又會(huì)增加貴金屬的加工成本。根據(jù)業(yè)內(nèi)工程經(jīng)驗(yàn)，將鈀鍍層厚度控制為0.05～0.15 μm，將金鍍層厚度控制為0.025～0.050 μm 較為合適。選擇較薄的金鍍層不僅可以降低成本，還可以使產(chǎn)品價(jià)格更具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2.3 化學(xué)鎳鈀浸金鍍層切片分析

對(duì)c 廠家不同批次產(chǎn)品的化學(xué)鎳鈀浸金鍍層做切片分析，觀察鍍層的鎳腐蝕情況。c 廠家不同批次化學(xué)鎳鈀浸金鍍層的切片分析如圖3 所示。由圖3 可知，c廠家的化學(xué)鎳鈀浸金鍍層未出現(xiàn)鎳腐蝕的情況，也沒(méi)有明顯的滲透腐蝕痕跡，鍍層厚度分布均勻，這說(shuō)明在鎳鍍層和金鍍層之間的鈀鍍層結(jié)構(gòu)致密，能有效防止金鍍層對(duì)鎳鍍層的腐蝕。

圖3 c 廠家不同批次產(chǎn)品化學(xué)鎳鈀浸金鍍層的切片分析

2.4 化學(xué)鎳鈀浸金鍍層褪金處理

使用褪金水對(duì)3 家廠商產(chǎn)品的化學(xué)鎳鈀浸金鍍層進(jìn)行褪金處理，觀察鈀鍍層表面的致密性。不同廠家產(chǎn)品的化學(xué)鎳鈀浸金鍍層經(jīng)過(guò)褪金處理后的表面形貌如圖4 所示。a 廠家產(chǎn)品的鈀鍍層表面呈銀灰色，其表面花紋不完整，表面存在滲透腐蝕痕跡。b 廠家和c廠家產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中采取了嚴(yán)格的工藝控制措施，其化學(xué)鎳鈀浸金鍍層的鈀鍍層表面呈銀白色，其結(jié)晶完整、均勻且致密，具有該外觀特征的鈀鍍層能夠起到良好的阻擋作用。

圖4 不同廠家產(chǎn)品的化學(xué)鎳鈀浸金鍍層經(jīng)過(guò)褪金處理后的表面形貌

由圖4 可知，a 廠家產(chǎn)品的化學(xué)鎳鈀浸金鍍層經(jīng)過(guò)褪金處理后發(fā)生了鎳腐蝕，而b、c 廠家產(chǎn)品的化學(xué)鎳鈀浸金鍍層經(jīng)過(guò)褪金處理后沒(méi)有發(fā)生鎳腐蝕。因此，結(jié)晶完整、均勻且致密的化學(xué)鎳鈀浸金鍍層可以有效防止焊盤黑化的發(fā)生，進(jìn)而避免由此引起的連接失效等可靠性問(wèn)題。

3 結(jié)論

在前人研究的基礎(chǔ)上，本文探討了基于有機(jī)基板的化學(xué)鎳鈀浸金工藝的應(yīng)用與測(cè)評(píng)，深入研究了化學(xué)鎳鈀浸金工藝在有機(jī)基板上的適用性，通過(guò)各項(xiàng)性能測(cè)試提供了更為全面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，評(píng)估了化學(xué)鎳鈀浸金工藝的性能，為實(shí)際應(yīng)用提供了參考。

采用化學(xué)鎳鈀浸金工藝的有機(jī)基板的長(zhǎng)期穩(wěn)定性尚不明確，需要通過(guò)更長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)來(lái)觀察其穩(wěn)定性，其適用性可能受到基板材料、厚度和表面處理方式等因素的影響，需要進(jìn)一步進(jìn)行定量分析研究。為了解決上述問(wèn)題，可以采取以下基本思路：延長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間以觀察采用化學(xué)鎳鈀浸金工藝的有機(jī)基板的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，從而更準(zhǔn)確地評(píng)估其在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性；研究不同基板材料、厚度和表面處理方式對(duì)化學(xué)鎳鈀浸金工藝適用性的影響，以優(yōu)化工藝參數(shù)，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

若采用化學(xué)鎳鈀浸金工藝的有機(jī)基板長(zhǎng)期穩(wěn)定性良好，則有望被廣泛應(yīng)用于塑封電子產(chǎn)品。通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)，提高其工藝適用性，將進(jìn)一步拓展其應(yīng)用范圍，促進(jìn)塑封電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。針對(duì)不同有機(jī)基板材料、厚度和表面處理方式的研究，將有助于揭示化學(xué)鎳鈀浸金工藝的適用性規(guī)律，為實(shí)際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。