印(yin)制闆鍍(du)金工藝(yi)的釺焊(han)性和💰无码人妻一区二区三区🔆鍵(jian)合功能(neng)
通常(chang)的置換(huan)鍍金(IG)液(ye)能夠腐(fu)蝕化學(xue)鍍鎳(EN)層(ceng),其結果(guo)☀️是♈形成(cheng)置換金(jin)層,并将(jiang)磷殘留(liu)在化學(xue)鍍鎳層(ceng)表面,使(shi)EN/IG兩🌏層之(zhi)間容易(yi)形成黑(hei)色(焊)區(qu)(Black pad),它在焊(han)接時常(chang)造成焊(han)接不牢(lao)(Solder Joint Failure)金🌍層利(li)落✍️(Peeling)。延長(zhang)鍍金的(de)時間雖(sui)可得加(jia)較厚的(de)金層,但(dan)金層的(de)結合力(li)🔴和鍵合(he)性能迅(xun)速下降(jiang)。本文比(bi)較了各(ge)種印制(zhi)闆鍍金(jin)工藝組(zu)合的釺(qian)焊🈲性和(he)鍵合功(gong)能,探讨(tao)了形成(cheng)黑色焊(han)區的條(tiao)件與機(ji)理,同時(shi)發現用(yong)中🏃性化(hua)學鍍金(jin)是解👣決(jue)印制闆(pan)化學鍍(du)鎳/置換(huan)鍍金時(shi)出現黑(hei)色焊區(qu)問題的(de)有效方(fang)法,也是(shi)取代電(dian)鍍鎳/電(dian)鍍🐅軟金(jin)工藝用(yong)于金線(xian)鍵合(Gold Wire Bonding)的(de)有效工(gong)藝。
一 引(yin)言
随着(zhe)電子設(she)備的線(xian)路設計(ji)越來越(yue)複雜,線(xian)路密度(du)越來越(yue)高,分離(li)的線路(lu)和鍵合(he)點也越(yue)來越多(duo),許多☁️複(fu)雜的印(yin)制闆要(yao)求它的(de)最後表(biao)面化處(chu)理(Final Surface Finishing)工藝(yi)具有更(geng)多☀️的功(gong)能。即制(zhi)造工藝(yi)不僅可(ke)制成線(xian)更細,孔(kong)更小,焊(han)區更平(ping)的鍍層(ceng),而且所(suo)形成的(de)鍍層必(bi)須是可(ke)焊的、可(ke)鍵💞合的(de)、長壽的(de),并具有(you)低的接(jie)觸電阻(zu)。[1]
目前适(shi)于金線(xian)鍵合的(de)鍍金工(gong)藝是電(dian)鍍鎳/電(dian)鍍軟金(jin)工藝,它(ta)不僅鍍(du)層軟,純(chun)度高(最(zui)高可達(da)99.99%),而且具(ju)有優良(liang)🐅的釺焊(han)性和金(jin)線鍵💋合(he)功能。遺(yi)憾的是(shi)它屬于(yu)電鍍型(xing),不能用(yong)于非導(dao)通線路(lu)的印制(zhi)🐪闆,而要(yao)将多🔴層(ceng)闆的所(suo)有線路(lu)光導通(tong),然後再(zai)複原,這(zhe)需要花(hua)大👉量的(de)人力和(he)物力,有(you)時幾乎(hu)是不可(ke)能實現(xian)的。[2]另外(wai)♻️電鍍金(jin)層的🔞厚(hou)度會随(sui)電鍍時(shi)的電流(liu)密度而(er)異,爲保(bao)證最低(di)‼️電流處(chu)的厚度(du),電流密(mi)度高處(chu)的鍍層(ceng)就要超(chao)過所要(yao)求的厚(hou)度,這不(bu)僅提高(gao)了成本(ben),也爲随(sui)後的表(biao)面安裝(zhuang)帶來麻(ma)煩。
化學(xue)鍍鎳/置(zhi)換鍍金(jin)工藝是(shi)全化學(xue)鍍工藝(yi),它可用(yong)于非導(dao)通線路(lu)的印制(zhi)闆。這種(zhong)鍍層組(zu)合的釺(qian)焊性優(you)良,但它(ta)🚶隻适于(yu)鋁線鍵(jian)合而不(bu)适于金(jin)線鍵合(he)。通🏃🏻♂️常的(de)置換鍍(du)金液是(shi)弱酸性(xing)的,它能(neng)腐蝕化(hua)學鍍鎳(nie)磷層(Ni2P)而(er)形成置(zhi)換鍍金(jin)層,并将(jiang)磷殘留(liu)在♋化學(xue)鍍鎳⛹🏻♀️層(ceng)表面,形(xing)成黑色(se)(焊)區(Black pad),它(ta)在焊接(jie)焊常造(zao)成焊接(jie)不牢(Solder Joint Failure)或(huo)金層脫(tuo)落🐕(Peeling)。試圖(tu)通過延(yan)長鍍金(jin)時間,提(ti)高金層(ceng)厚度來(lai)解決這(zhe)些問題(ti),結果反(fan)而使✂️金(jin)層的結(jie)合力和(he)鍵合功(gong)能明顯(xian)下降。[3]
化(hua)學鍍鎳(nie)/化學鍍(du)钯/置換(huan)鍍金工(gong)藝也是(shi)全化學(xue)鍍🈚工藝(yi),可用于(yu)非導通(tong)線路的(de)印制闆(pan),而且鍵(jian)合功能(neng)優良,然(ran)而🈲釺焊(han)性并不(bu)十✊分好(hao)。開發這(zhe)一新工(gong)藝的早(zao)期目🤞的(de)是用🆚價(jia)廉的钯(ba)代替金(jin),然而近(jin)年來钯(ba)價猛漲(zhang),已達金(jin)價的3倍(bei)多,因此(ci)應用會(hui)越來越(yue)少。
化學(xue)鍍金是(shi)和還原(yuan)劑使金(jin)絡離子(zi)直接被(bei)還原爲(wei)金屬金(jin),它并🧡非(fei)通過腐(fu)蝕化學(xue)鍍鎳磷(lin)合金層(ceng)來沉積(ji)金。因此(ci)用化學(xue)鍍鎳/化(hua)學鍍金(jin)工藝來(lai)取代化(hua)學鍍鎳(nie)/置😄換鍍(du)金工藝(yi),就可以(yi)從根本(ben)上消除(chu)因置換(huan)反應而(er)引起的(de)黑色(焊(han))區問題(ti)。然而普(pu)通的市(shi)售化學(xue)鍍金液(ye)大都是(shi)酸性的(de)(PH4-6),因此它(ta)仍存在(zai)腐蝕化(hua)學🔆鍍鎳(nie)磷合金(jin)的❓反應(ying)。隻有中(zhong)性化學(xue)鍍金才(cai)可避免(mian)置換反(fan)應。實驗(yan)結🐆果表(biao)明,若用(yong)化學鍍(du)鎳/中性(xing)化學鍍(du)🈲金或化(hua)學鍍鎳(nie)/置換鍍(du)金(<1min)/中性(xing)化學鍍(du)金工藝(yi),就🌈可以(yi)獲得既(ji)無黑色(se)焊區問(wen)題,又具(ju)有優良(liang)的釺焊(han)性和鋁(lü)、金線鍵(jian)合功能(neng)的鍍層(ceng),它适于(yu)COB(Chip-on-Board)、BGA(Ball Grid Arrays)、MCM(Multi-Chip Modules)和CSP(Chip Scale Packages)等高(gao)難度♻️印(yin)制闆的(de)制造。
自(zi)催化的(de)化學鍍(du)金工藝(yi)已進行(hang)了許多(duo)研究,大(da)緻可分(fen)‼️爲有氰(qing)的和無(wu)氰的兩(liang)類。無氰(qing)鍍液的(de)成本較(jiao)高,而且(qie)鍍液并(bing)不十分(fen)穩定。因(yin)此我們(men)開發了(le)一種以(yi)氰化金(jin)鉀爲⛹🏻♀️金(jin)鹽的🤟中(zhong)性化學(xue)鍍金工(gong)藝,并申(shen)請了專(zhuan)利。本♊文(wen)主要介(jie)紹中性(xing)化學鍍(du)金工藝(yi)與其它(ta)咱鍍金(jin)工藝組(zu)合的釺(qian)焊🤟性和(he)鍵合功(gong)能。
二 實(shi)驗
1 鍵合(he)性能測(ce)試(Bonding Tests)
鍵合(he)性能測(ce)試是在(zai)AB306B型ASM裝配(pei)自動熱(re)聲鍵合(he)機(ASM Assembly Automation Thermosonic Bonding Machine )上進(jin)行。圖1和(he)🔅圖2是鍵(jian)合測試(shi)的結構(gou)圖。金線(xian)的一端(duan)被鍵合(he)到💯金球(qiu)上(見圖(tu)2左💋邊),稱(cheng)😍爲球鍵(jian)(Ball Bond)。金線的(de)另一端(duan)則被鍵(jian)合到金(jin)焊區(Gold pad)(見(jian)圖2右邊(bian)),稱爲楔(xie)形鏈(Wedge Bond),然(ran)後用金(jin)屬挂鈎(gou)鈎住金(jin)線并用(yong)力向上(shang)拉,直至(zhi)金線斷(duan)裂并🥵自(zi)動記下(xia)拉🤩斷時(shi)的拉力(li)。若斷裂(lie)在球✍️鍵(jian)或楔形(xing)鍵上,表(biao)示鍵合(he)不合格(ge)。若是金(jin)線本身(shen)被拉斷(duan),則表示(shi)鍵合良(liang)好,而拉(la)斷金線(xian)所需的(de)平均拉(la)力(Average Pull Force )越大(da),表示鍵(jian)合強度(du)越高。
在(zai)本實驗(yan)中,金球(qiu)鍵的鍵(jian)合參數(shu)是:時間(jian)45ms、超聲能(neng)量⁉️設定(ding)55、力55g;而楔(xie)形鍵的(de)鍵合參(can)數是:時(shi)間25ms、超聲(sheng)能量設(she)定180、力🥰155。兩(liang)處⭕鍵合(he)的操⛷️作(zuo)溫度爲(wei)140℃,金線直(zhi)徑32μm(1.25mil)。
2 釺焊(han)性測試(shi)(Solderability Testing)
釺焊性(xing)測試是(shi)在DAGE-BT 2400PC型焊(han)料球剪(jian)切試驗(yan)機(Millice Solder Ball Shear Test Machine)上進(jin)行。先🏃在(zai)♍焊接點(dian)上塗上(shang)助焊劑(ji),再放上(shang)直徑0.5mm的(de)焊料球(qiu),然後送(song)入重熔(rong)(Reflow)機😍上受(shou)💋熱焊牢(lao),最後将(jiang)機器的(de)剪切臂(bi)靠到焊(han)料球上(shang)🈲,用力向(xiang)後推擠(ji)焊料球(qiu),直至焊(han)料球被(bei)推離焊(han)料接點(dian),機器會(hui)自動記(ji)錄推開(kai)焊料球(qiu)所🔱需的(de)剪切力(li)。所需剪(jian)切力❄️越(yue)大,表示(shi)焊接越(yue)牢。
3 掃描(miao)電鏡(SEM)和(he)X-射線電(dian)子衍射(she)能量分(fen)析(EDX)
用JSM-5310LV型(xing)JOEL掃描電(dian)鏡來分(fen)析鍍層(ceng)的表面(mian)結構及(ji)剖面(Cross Section)結(jie)構,從金(jin)/鎳間的(de)剖面結(jie)構可以(yi)判斷是(shi)否存在(zai)黑帶(Black band)或(huo)黑牙(Black Teeth)等(deng)問題。EDX可(ke)以分析(xi)🈲鍍層中(zhong)各組成(cheng)光素的(de)相對百(bai)分含量(liang)。
三 結果(guo)與讨論(lun)
1 在化學(xue)鍍鎳/置(zhi)換鍍金(jin)層之間(jian)黑帶的(de)形成
将(jiang)化學鍍(du)鎳的印(yin)制闆浸(jin)入弱酸(suan)性置換(huan)鍍金液(ye)中,置換(huan)⁉️金層将(jiang)在化學(xue)鍍鎳層(ceng)表面形(xing)成。若小(xiao)心将置(zhi)換金層(ceng)剝掉,就(jiu)會發㊙️現(xian)界⭐面上(shang)有一層(ceng)黑色的(de)鎳層🌍,而(er)在此黑(hei)色鎳層(ceng)的下方(fang),仍然存(cun)在未⚽變(bian)黑的化(hua)學鍍鎳(nie)層。有時(shi)黑色鎳(nie)層會深(shen)入到正(zheng)常鍍鎳(nie)層的深(shen)⭕處,若這(zhe)層深處(chu)的黑色(se)鎳層呈(cheng)帶狀,人(ren)們稱之(zhi)爲“黑帶(dai)”(Black band),黑帶區(qu)磷含量(liang)高達12.84%,而(er)在政黨(dang)化學鍍(du)鎳區磷(lin)含量隻(zhi)有8.02%(見圖(tu)3)。在黑帶(dai)上的金(jin)層很容(rong)易被膠(jiao)帶粘住(zhu)㊙️而剝落(luo)(Peeling)。有時腐(fu)蝕形成(cheng)的黑色(se)鎳層呈(cheng)💰牙🧑🏽🤝🧑🏻狀,人(ren)們稱之(zhi)爲“黑牙(ya)”(Black teeth)(見圖4)。
爲(wei)何在形(xing)成置換(huan)金層的(de)同時會(hui)形成黑(hei)色鎳層(ceng)呢🔱?這要(yao)從置換(huan)反應的(de)機理來(lai)解釋。大(da)家知道(dao),化學鍍(du)鎳層實(shi)際上是(shi)⁉️鎳磷合(he)金鍍層(ceng)(Ni2P)。在弱酸(suan)性環境(jing)中它與(yu)金液中(zhong)的金⛷️氰(qing)絡離子(zi)發生💔下(xia)列反應(ying):
Ni2P+4[Au(CN)2]― →4Au+2[Ni(CN)4]2―+P
結果是(shi)金層的(de)形成和(he)鎳磷合(he)金被金(jin)被腐蝕(shi),其中鎳(nie)🔞變成氰(qing)合鎳絡(luo)離子(Ni(CN)4)2―,而(er)磷則殘(can)留在表(biao)面。磷的(de)殘留将(jiang)使化學(xue)鍍鎳層(ceng)變黑🔴,并(bing)使表面(mian)磷含量(liang)升高。爲(wei)了重現(xian)這一現(xian)象,我們(men)💘也發現(xian)若将化(hua)🙇♀️學鍍鎳(nie)層浸入(ru)其它強(qiang)🌈腐蝕(Microetch)溶(rong)液中,它(ta)也同樣(yang)變黑。EDX分(fen)🌈析表明(ming),表面層(ceng)的鎳含(han)量由78.8%下(xia)降至48.4%,而(er)磷的含(han)量則由(you)8.56%上升到(dao)13.14%。
2 黑色(焊(han))區對釺(qian)焊性和(he)鍵合功(gong)能的影(ying)響
在焊(han)接過程(cheng)中,金和(he)正常鎳(nie)磷合金(jin)鍍層均(jun)可以熔(rong)入焊💋料(liao)之中,但(dan)殘留在(zai)黑色鎳(nie)層表面(mian)的磷卻(que)不能遷(qian)移到金(jin)層并與(yu)焊料熔(rong)合。當大(da)量黑色(se)鎳層存(cun)在時,其(qi)表🔆面對(dui)焊👈料的(de)潤濕大(da)爲減低(di),使焊接(jie)強度大(da)大減弱(ruo)。此外,由(you)于置換(huan)鍍金層(ceng)的純度(du)與厚度(du)(約0.1μm都✍️很(hen)低。因此(ci)它最适(shi)于鋁線(xian)鍵合,而(er)不能💁用(yong)于金線(xian)鍵合。
3置(zhi)換鍍金(jin)液的PH值(zhi)對化學(xue)鍍鎳層(ceng)腐蝕的(de)影響
無(wu)電(解)鍍(du)金可通(tong)過兩種(zhong)途徑得(de)到:
1) 通過(guo)置換反(fan)應的置(zhi)換鍍金(jin)(Immtrsion Gold, IG)
2) 通過化(hua)學還原(yuan)反應的(de)化學鍍(du)金(Electroless Gold,EG)
置換(huan)鍍金是(shi)通過化(hua)學鍍鎳(nie)磷層同(tong)鍍金液(ye)中的金(jin)氰🌈絡離(li)子的直(zhi)接置換(huan)反應而(er)施現
Ni2P+4[Au(CN)2]―→4Au+2[Ni(CN)4]2―+P
如(ru)前所述(shu),反應的(de)結果是(shi)金的沉(chen)積鎳的(de)溶解,不(bu)反🥰應的(de)磷則💚殘(can)‼️留在化(hua)學鍍鎳(nie)層的表(biao)面,并在(zai)金/鎳界(jie)💚面上形(xing)成🌍黑區(qu)(黑帶、黑(hei)牙…等形(xing)狀)。
另一(yi)方面,化(hua)學鍍金(jin)層是通(tong)過金氰(qing)絡離子(zi)接被次(ci)磷酸根(gen)還原🌐而(er)形成的(de)
2[Au(CN)2]―+H2PO―2 +H2O→2Au +A2PO―3 +4CN―+H2↑
反應的(de)結果是(shi)金離子(zi)被還爲(wei)金屬金(jin),而還原(yuan)劑次磷(lin)酸根被(bei)氧化爲(wei)亞磷酸(suan)根。因此(ci),這與反(fan)應并不(bu)涉及到(dao)化學鍍(du)鎳磷合(he)金的腐(fu)蝕或磷(lin)的殘留(liu),也就不(bu)會有黑(hei)區問題(ti)🚶。
表1用SEM剖(pou)面分析(xi)來檢測(ce)各種EN/金(jin)組合的(de)黑帶與(yu)腐蝕❄️
結(jie)果表明(ming),黑帶(Black Band)或(huo)黑區(Black pad)問(wen)題主要(yao)取決于(yu)鍍金溶(rong)液的PH值(zhi)。PH值越🧡低(di),它對化(hua)學鍍鎳(nie)層的腐(fu)蝕越快(kuai),也越容(rong)易形成(cheng)黑帶。若(ruo)用一步(bu)中性化(hua)學鍍金(jin)(EN/EG-1)或兩步(bu)中性化(hua)學鍍金(jin)(EN/EG-1/EG-2),就不再(zai)觀察到(dao)腐蝕或(huo)黑帶👅,也(ye)就不會(hui)出現焊(han)接不✔️牢(lao)的問題(ti)。
4各種印(yin)制闆鍍(du)金工藝(yi)組合的(de)釺焊性(xing)比較
表(biao)2是用焊(han)料球剪(jian)切試驗(yan)法(Solder Ball Shear Test)測定(ding)各種印(yin)制闆鍍(du)金工藝(yi)組合🥵所(suo)得鍍層(ceng)釺焊性(xing)的結果(guo)。表中的(de)斷裂模(mo)式(Failure mode)1表木(mu)焊料從(cong)金焊點(dian)(Gold pad)處斷裂(lie);斷裂模(mo)式2表示(shi)斷裂發(fa)生在焊(han)球本身(shen)。
表2各種(zhong)印制闆(pan)鍍金工(gong)藝組合(he)所得鍍(du)層的釺(qian)焊性📧比(bi)較
表2的(de)結果表(biao)明,電鍍(du)鎳/電鍍(du)軟金具(ju)有最高(gao)的剪切(qie)強度☂️(1370g)或(huo)最牢💚的(de)焊接。化(hua)學鍍鎳(nie)/中性化(hua)學鍍金(jin)/中性化(hua)學鍍金(jin)也顯示(shi)非常好(hao)🤟的剪切(qie)強度要(yao)大于800g。
5各(ge)種印制(zhi)闆鍍金(jin)工藝組(zu)合的金(jin)線鍵合(he)功能比(bi)較
表3是(shi)用ASM裝配(pei)自動熱(re)聲鍵合(he)機測定(ding)各種印(yin)制闆鍍(du)金工藝(yi)組合所(suo)得鍍層(ceng)的金線(xian)鍵合測(ce)試結果(guo)。
表3各種(zhong)印制闆(pan)鍍金工(gong)藝組合(he)所得鍍(du)層的金(jin)線鍵🏒合(he)測試結(jie)果✍️
由表(biao)3可見,傳(chuan)統的化(hua)學鍍鎳(nie)/置換鍍(du)金方法(fa)所得的(de)鍍層🍉組(zu)♊合,有8個(ge)點斷裂(lie)在金球(qiu)鍵(Ball Bond)處,有(you)2個點斷(duan)裂在楔(xie)形鍵(Wedge Bond)或(huo)印制的(de)鍍金焊(han)☔點上(Gold Pad),而(er)良好的(de)鍵合是(shi)不😄允許(xu)有一點(dian)斷裂在(zai)球鍵與(yu)楔形鍵(jian)處。這說(shuo)明化學(xue)鍍鎳/置(zhi)換鍍金(jin)工藝是(shi)不能用(yong)于金線(xian)鍵合。化(hua)學鍍鎳(nie)/中性化(hua)學鍍金(jin)/中性化(hua)學鍍金(jin)工藝所(suo)得鍍層(ceng)的鍵合(he)功能是(shi)優良的(de),它與化(hua)學鍍鎳(nie)/化學鍍(du)钯/置換(huan)鍍金以(yi)及電鍍(du)鎳/電鍍(du)金的鍵(jian)合性🔞能(neng)相當。我(wo)們認出(chu)這是因(yin)爲化學(xue)鍍金層(ceng)有較高(gao)的純📱度(du)(磷不合(he)共沉積(ji))和較✌️低(di)硬度(98VHN25)的(de)緣故。
6化(hua)學鍍金(jin)層的厚(hou)度對金(jin)線鍵合(he)功能的(de)影響
良(liang)好的金(jin)線鍵合(he)要求鍍(du)金層有(you)一定的(de)厚度。爲(wei)此🔴我們(men)有各性(xing)化學鍍(du)金方法(fa)分别鍍(du)取0.2至0.68μm厚(hou)的金層(ceng)💘,然後測(ce)定其鍵(jian)合性能(neng)。表4列出(chu)了不同(tong)金層厚(hou)度時所(suo)得的平(ping)均拉力(li)(Average Pull Force)和斷裂(lie)模式(Failure Mode)。
表(biao)4化學鍍(du)金層的(de)厚度對(dui)金線鍵(jian)合功能(neng)的影響(xiang)
由表4可(ke)見,當化(hua)學鍍金(jin)層厚度(du)在0.2μm時,斷(duan)裂有時(shi)會出現(xian)在楔⛹🏻♀️形(xing)鍵上,有(you)時在金(jin)線上,這(zhe)表明0.2μm厚(hou)度時的(de)金線鍵(jian)合功能(neng)是💃很差(cha)的。當金(jin)層厚度(du)達0.25μm以上(shang)時,斷裂(lie)均在金(jin)🌏線上,拉(la)斷金線(xian)所需的(de)平均拉(la)力也很(hen)高,說明(ming)此時的(de)鍵合功(gong)能已很(hen)好。在實(shi)際應用(yong)時,我們(men)控制化(hua)學鍍金(jin)層的厚(hou)度在0.5-0.6μm,可(ke)比電鍍(du)軟金0.6-0.7μm略(lue)低,這是(shi)因爲化(hua)學鍍金(jin)的平整(zheng)度比電(dian)鍍金的(de)好,它不(bu)受電流(liu)分布的(de)影響。
四(si) 結論
1 用(yong)中性化(hua)學鍍金(jin)取代弱(ruo)酸性置(zhi)換鍍金(jin)時,它可(ke)以⭕避🥰免(mian)化學💛鍍(du)鎳層的(de)腐蝕,從(cong)而根本(ben)上消除(chu)了在化(hua)學鍍🈲鎳(nie)/置換鍍(du)金層🥵界(jie)面上出(chu)現黑色(se)焊區或(huo)黑帶的(de)問題。
2 金(jin)厚度在(zai)0.25至0.50μm的化(hua)學鍍鎳(nie)/中性化(hua)學鍍金(jin)層同時(shi)具有優(you)良的釺(qian)焊性和(he)金線鍵(jian)合功能(neng),因此它(ta)是理想(xiang)的電鍍(du)鎳/電鍍(du)金的替(ti)代工藝(yi),适于細(xi)線、高密(mi)度印制(zhi)闆使用(yong)。
3 電鍍鎳(nie)/電鍍金(jin)工藝不(bu)适于電(dian)路來導(dao)通的印(yin)制闆,而(er)中性化(hua)學🌈鍍金(jin)無此限(xian)制,因而(er)具有廣(guang)闊的應(ying)用🌏前景(jing)。
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