印制板镀金工艺的钎焊性和键合功能

    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。记住我们的网站是http://www.pcb-sz.com
    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）。
    2 钎焊性测试（Solderability Testing）
    钎焊性测试是在DAGE-BT 2400PC型焊料球剪切试验机（Millice Solder Ball Shear Test Machine）上进行。先在焊接点上涂上助焊剂，再放上直径0.5mm的焊料球，然后送入重熔（Reflow）机上受热焊牢，最后将机器的剪切臂靠到焊料球上，用力向后推挤焊料球，直至焊料球被推离焊料接点，机器会自动记录推开焊料球所需的剪切力。所需剪切力越大，表示焊接越牢。
    3 扫描电镜（SEM）和X-射线电子衍射能量分析（EDX）
    用JSM-5310LV型JOEL扫描电镜来分析镀层的表面结构及剖面（Cross Section）结构，从金/镍间的剖面结构可以判断是否存在黑带（Black band）或黑牙（Black Teeth）等问题。EDX可以分析镀层中各组成光素的相对百分含量。
    三、结果与讨论
    1 在化学镀镍/置换镀金层之间黑带的形成
    将化学镀镍的印制板浸入弱酸性置换镀金液中，置换金层将在化学镀镍层表面形成。若小心将置换金层剥掉，就会发现界面上有一层黑色的镍层，而在此黑色镍层的下方，仍然存在未变黑的化学镀镍层。有时黑色镍层会深入到正常镀镍层的深处，若这层深处的黑色镍层呈带状，人们称之为“黑带”（Black band），黑带区磷含量高达12.84%，而在政党化学镀镍区磷含量只有8.02%（见图3）。在黑带上的金层很容易被胶带粘住而剥落（Peeling）。有时腐蚀形成的黑色镍层呈牙状，人们称之为“黑牙”（Black teeth）。
    为何在形成置换金层的同时会形成黑色镍层呢？这要从置换反应的机理来解释。大家知道，化学镀镍层实际上是镍磷合金镀层（Ni2P）。在弱酸性环境中它与金液中的金氰络离子发生下列反应：Ni2P+4[Au（CN）2]― →4Au+2[Ni（CN）4]2―+P结果是金层的形成和镍磷合金被金被腐蚀，其中镍变成氰合镍络离子（Ni（CN）4）2―，而磷则残留在表面。磷的残留将使化学镀镍层变黑，并使表面磷含量升高。为了重现这一现象，我们也发现若将化学镀镍层浸入其它强腐蚀（Microetch）溶液中，它也同样变黑。EDX分析表明，表面层的镍含量由78.8%下降至48.4%，而磷的含量则由8.56%上升到13.14%。