印制板镀金工艺的钎焊性和键合功能

文章摘要： 印制板镀金工艺的钎焊性和键合功能 通常的置换镀金（IG）液能够腐蚀化学镀镍（EN）层，其结果是形成置换金层，并将磷残留在化学镀镍层表面，使EN/IG两层之间容易形成黑色（焊）区（Black pad），它在焊接时常造成焊接不牢（Solder Joint Failure）金层利落（Peeling）。延长镀金的时间虽可得加较厚的金层，但金层的结合力和键合性能迅速下降。本文比较了各种印制板镀金工艺组合的钎焊性和键合功能，探讨了形成黑色焊区的条件与机理，同时发现用中性化学镀金是解决印制板化学镀镍/置换镀金时出现黑色焊区问题的有效方法，也是取代电镀镍/电镀软金工艺用于金线键合（Gold

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      印制板镀金工艺的钎焊性和键合功能

    通常的置换镀金（IG）液能够腐蚀化学镀镍（EN）层，其结果是形成置换金层，并将磷残留在化学镀镍层表面，使EN/IG两层之间容易形成黑色（焊）区（Black pad），它在焊接时常造成焊接不牢（Solder Joint Failure）金层利落（Peeling）。延长镀金的时间虽可得加较厚的金层，但金层的结合力和键合性能迅速下降。本文比较了各种印制板镀金工艺组合的钎焊性和键合功能，探讨了形成黑色焊区的条件与机理，同时发现用中性化学镀金是解决印制板化学镀镍/置换镀金时出现黑色焊区问题的有效方法，也是取代电镀镍/电镀软金工艺用于金线键合（Gold Wire Bonding）的有效工艺。

一、引言

    随着电子设备的线路设计越来越复杂，线路密度越来越高，分离的线路和键合点也越来越多，许多复杂的印制板要求它的最后表面化处理（Final Surface Finishing）工艺具有更多的功能。即制造工艺不仅可制成线更细，孔更小，焊区更平的镀层，而且所形成的镀层必须是可焊的、可键合的、长寿的，并具有低的接触电阻。

    目前适于金线键合的镀金工艺是电镀镍/电镀软金工艺，它不仅镀层软，纯度高（最高可达99．99%），而且具有优良的钎焊性和金线键合功能。遗憾的是它属于电镀型，不能用于非导通线路的印制板，而要将多层板的所有线路光导通，然后再复原，这需要花大量的人力和物力，有时几乎是不可能实现的。另外电镀金层的厚度会随电镀时的电流密度而异，为保证最低电流处的厚度，电流密度高处的镀层就要超过所要求的厚度，这不仅提高了成本，也为随后的表面安装带来麻烦。

    化学镀镍/置换镀金工艺是全化学镀工艺，它可用于非导通线路的印制板。这种镀层组合的钎焊性优良，但它只适于铝线键合而不适于金线键合。通常的置换镀金液是弱酸性的，它能腐蚀化学镀镍磷层（Ni2P）而形成置换镀金层，并将磷残留在化学镀镍层表面，形成黑色（焊）区（Black pad），它在焊接焊常造成焊接不牢（Solder Joint Failure）或金层脱落（Peeling）。试图通过延长镀金时间，提高金层厚度来解决这些问题，结果反而使金层的结合力和键合功能明显下降。

    化学镀镍/化学镀钯/置换镀金工艺也是全化学镀工艺，可用于非导通线路的印制板，而且键合功能优良，然而钎焊性并不十分好。开发这一新工艺的早期目的是用价廉的钯代替金，然而近年来钯价猛涨，已达金价的3倍多，因此应用会越来越少。

    化学镀金是和还原剂使金络离子直接被还原为金属金，它并非通过腐蚀化学镀镍磷合金层来沉积金。因此用化学镀镍/化学镀金工艺来取代化学镀镍/置换镀金工艺，就可以从根本上消除因置换反应而引起的黑色（焊）区问题。然而普通的市售化学镀金液大都是酸性的（PH4-6），因此它仍存在腐蚀化学镀镍磷合金的反应。只有中性化学镀金才可避免置换反应。实验结果表明，若用化学镀镍/中性化学镀金或化学镀镍/置换镀金（<1min）/中性化学镀金工艺，就可以获得既无黑色焊区问题，又具有优良的钎焊性和铝、金线键合功能的镀层，它适于COB（Chip-on-Board）、BGA（Ball Grid Arrays）、MCM（Multi-Chip Modules）和CSP（Chip Scale Packages）等高难度印制板的制造。

    自催化的化学镀金工艺已进行了许多研究，大致可分为有氰的和无氰的两类。无氰镀液的成本较高，而且镀液并不十分稳定。因此我们开发了一种以氰化金钾为金盐的中性化学镀金工艺，并申请了专利。本文主要介绍中性化学镀金工艺与其它咱镀金工艺组合的钎焊性和键合功能。

二、实验

1 键合性能测试（Bonding Tests）

    键合性能测试是在AB306B型ASM装配自动热声键合机（ASM Assembly Automation Thermosonic Bonding Machine ）上进行。金线的一端被键合到金球上（见图2左边），称为球键（Ball Bond）。金线的另一端则被键合到金焊区（Gold pad），称为楔形链（Wedge Bond），然后用金属挂钩钩住金线并用力向上拉，直至金线断裂并自动记下拉断时的拉力。若断裂在球键或楔形键上，表示键合不合格。若是金线本身被拉断，则表示键合良好，而拉断金线所需的平均拉力（Average Pull Force ）越大，表示键合强度越高。在本实验中，金球键的键合参数是：时间45ms、超声能量设定55、力55g；而楔形键的键合参数是：时间25ms、超声能量设定180、力155。两处键合的操作温度为140℃，金线直径32μm（1．25mil）。

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