秦典成 李保忠 肖永龍(樂健科技珠海有限公司， 廣東 珠海 519180)

陽極氧化鋁基板絕緣層上金的化學成因及應對措施

秦典成 李保忠 肖永龍(樂健科技珠海有限公司， 廣東 珠海 519180)

本文從陽極氧化鋁基板的生產(chǎn)工藝流程等方面入手，結(jié)合切片觀察的手段，探討了在沉鎳鈀金表面處理時陽極氧化鋁基板絕緣層上金的形成原因，并提出了相應的應對措施。研究表明，對陽極氧化層表面所覆蓋的鈦層的蝕刻處理不當導致Al2O3絕緣層被破壞，是后續(xù)過沉鎳鈀金時Al2O3絕緣層上金的成因；而選用NH4F溶液進行鈦層的蝕刻處理，能夠有效解決Al2O3絕緣層的上金問題。

陽極氧化；氧化鋁基板；鈦層；上金

0 引言

陽極氧化鋁基板是一種具有高導熱特性的LED封裝散熱基板，其導熱絕緣層由導熱系數(shù)較高的Al2O3薄膜所構(gòu)成，整板導熱率可高達122W/m·K；并且，陽極氧化鋁基板與LED芯片的熱膨脹系數(shù)匹配程度較高，基本不會出現(xiàn)光衰和死燈的問題，已逐漸成為大功率與高光密LED封裝領域有代表性的導熱復合材料之一[1]。

圖1示出了陽極氧化鋁基板的基本制備流程。其中，首先對經(jīng)過表面清潔處理的鋁合金板進行陽極氧化而得到具有高導熱系數(shù)且疏松多孔性的Al2O3絕緣層，并利用小分子量絕緣漆浸漬對多孔性的Al2O3絕緣層進行封孔處理以保證完整性；接著采用真空鍍膜工藝在Al2O3絕緣層表面依次濺射鈦層和底銅層(各1-3μm)，并在底銅層上電鍍加厚銅至預定銅厚，然后完成表面線路制作、絲印阻焊和表面處理等后續(xù)流程。鈦層不僅可以增強Al2O3絕緣層與銅層之間的結(jié)合力，還能夠在一定程度上使Al2O3絕緣層與銅層的熱膨脹系數(shù)相匹配。

沉鎳鈀金(英文簡稱ENEPIG)是LED封裝散熱基板最常用的表面處理方式之一[2-3]，它是在焊盤上先后沉積鎳、鈀和金的一種表面處理工藝，其中鎳層厚度一般為2.00μm～5.00μm、鈀層厚度一般為0.10μm～0.20μm、金層厚度一般為0.03μm～0.05μm[4-5]。與其他LED封裝散熱基板相同，陽極氧化鋁基板同樣采用ENEPIG工藝進行表面處理。

圖1 陽極氧化鋁基板的制備流程

1 沉鎳鈀金后Al2O3絕緣層存在上金現(xiàn)象

陽極氧化鋁基板ENEPIG工藝的基本流程為：除油—微蝕—酸洗—預浸—活化鈀—化學鍍鎳(還原)—化學鍍鈀(還原)—化學浸金(置換)[6]。

其中，化學鍍鎳以次磷酸鹽作為還原劑，其自催化氧化還原反應式如下：

化學鍍鈀與化學鍍鎳機理大體相同，也是以次磷酸鹽作為還原劑，其自催化氧化還原反應式如下：

化學浸金屬于置換反應，Au與Pd發(fā)生置換反應，其反應式如下：

經(jīng)過ENEPIG表面處理后，我們發(fā)現(xiàn)在裸露于阻焊層的Al2O3絕緣層上存在較為嚴重的鎳鈀金沉積現(xiàn)象(本文中簡稱上金)，具體如圖2所示：

2 Al2O3絕緣層上金的成因分析

為了分析Al2O3絕緣層上金的成因，我們首先簡單回顧一下陽極氧化鋁基板的基本制備流程：

鋁合金板陽極氧化處理 → 絕緣漆浸漬 →濺射鈦層 → 濺射銅層 → 全板電鍍加厚銅 →圖形蝕刻得到銅線路層 → 利用HF溶液蝕刻無銅區(qū)域的鈦層 → 絲印阻焊 →沉鎳鈀金

可見，陽極氧化鋁基板的制備過程中存在蝕刻無銅區(qū)域的鈦層這一關鍵步驟，以避免因銅線路層區(qū)域之外鈦層的殘留而影響陽極氧化鋁基板的電氣性能[7-8]。

根據(jù)化學原理可知，Al2O3絕緣層上金，說明在金層下方存在著某種金屬，為鎳鈀金的形核與生長提供了條件。因此，我們初步認為Al2O3絕緣層上金是因鈦層的蝕刻處理不徹底，導致Al2O3絕緣層上存在鈦殘留，使得鎳鈀金在殘留的鈦上沉積所致。為驗證這一初步判斷，我們準備了兩塊陽極氧化鋁基板進行對比試驗，并按如下參數(shù)要求進行蝕刻除鈦處理：

樣品編號鈦層蝕刻處理參數(shù)HF濃度(%)時間(min)壓力(kg/cm2)溫度(℃) 1# 3%-5% 4 3.0 35 2# 3%-5% 6 3.0 35

圖2 Al2O3絕緣層上存在上金缺陷

圖3 不同除鈦時間下Al2O3絕緣層上金不良效果對比

圖4 不同除鈦時間下陽極氧化鋁基板的切片對比

圖5 利用NH4F溶液進行鈦層蝕刻處理后所得到的陽極氧化鋁基板

待ENEPIG表面處理完成后，我們對上述兩塊樣品的Al2O3絕緣層上金現(xiàn)象進行對比，結(jié)果如下圖3圖所示：

對比圖3 a和b兩圖可知，除鈦時間越長，Al2O3絕緣層上金現(xiàn)象反而越嚴重，這與我們認為Al2O3絕緣層上金是因鈦層的蝕刻處理不徹底所致的初步判斷大相徑庭，至此可以排除這一原因。

為此，我們轉(zhuǎn)換思路，針該兩塊樣品的Al2O3絕緣層上金處進行橫截面切片分析與觀察，結(jié)果圖4圖所示。從該圖中可以看出，當除鈦時間為4分鐘時，Al2O3絕緣層的最薄厚度僅為15.47um(如圖4a所示)；當除鈦時間為6分鐘時，Al2O3絕緣層的某一單點厚度僅有6.63um，且部分區(qū)域的Al2O3絕緣層已經(jīng)被完全去除(圖4b所示)。而根據(jù)設計要求，Al2O3絕緣層厚度應該控制在30-45um之間。因此，可以判定，鈦層的蝕刻處理時間過長，導致Al2O3絕緣層遭到HF溶液攻擊，使得Al2O3絕緣層的厚度過薄甚至被徹底破壞；這樣，在ENEPIG表面處理時，表面處理溶液進入過薄Al2O3絕緣層的微小孔洞與鋁基接觸或者與鋁基直接接觸，從而在表面處理溶液與鋁基接觸的界面發(fā)生了鎳、鈀和金的沉積，才是Al2O3絕緣層表面上金的原因。

3 Al2O3絕緣層上金的應對措施

在確認了導致Al2O3絕緣層上金的原因之后，我們選用了環(huán)保且蝕刻能力較HF弱的NH4F溶液作為鈦層的蝕刻溶液，這不僅便于對蝕刻參數(shù)進行控制，而且使得處理工藝更為環(huán)保。為了驗證應對措施的可行性，我們選用了濃度為3%-5%的NH4F溶液進行鈦層的蝕刻處理，蝕刻時間為5分鐘。ENEPIG后再對陽極氧化鋁基板表面的Al2O3絕緣層進行觀察，如圖圖5所示，沒有發(fā)現(xiàn)Al2O3絕緣層上產(chǎn)生上金現(xiàn)象。

同時，我們對利用NH4F溶液進行鈦層蝕刻處理后所得到的陽極氧化鋁基板進行了橫截面切片，以觀察Al2O3絕緣層是否遭到破壞，厚度是否在設計范圍內(nèi)。如圖6所示，可以觀察得知Al2O3絕緣層的整個厚度均在設計厚度35±5um的范圍之內(nèi)，這說明按照上述工藝參數(shù)利用NH4F溶液對鈦層進行蝕刻處理時，Al2O3絕緣層基本上不會受到NH4F溶液的攻擊。

4 結(jié)語

利用HF溶液進行蝕刻除鈦處理時，工藝參數(shù)控制不當導致Al2O3絕緣層因被HF溶液攻擊而厚度過薄乃至被完全去除，是ENEPIG表面處理時Al2O3絕緣層上金的原因。選用蝕刻能力相對較弱且更為環(huán)保的NH4F溶液進行蝕刻除鈦處理，在蝕刻除鈦的過程中可以較為容易地將Al2O3絕緣層保持在設計厚度范圍內(nèi)，能夠有效解決ENEPIG表面處理時Al2O3絕緣層的上金問題。

[1]N.Yeh,J.P.Chung.High-brightness LEDs - Energy efficient lighting sources and their potential in indoor plant cultivation[J],Renewable and Sustainable Energy Reviews,2009,23：1-6.

[2]顧靄云.表面組裝技術(SMT)基礎與可制造性設計(DFM)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2008.

[3]梁萬雷,曹白楊.表面組裝印制電路板的可制造性設計[J].電子工藝技術,2006,29(2)：74-76.

[4]張文怡,王駿,楊春霞.DFM技術在PCB設計中的應用[J].電子工藝技術,2010,31(5)：281-285.

[5]陳正浩.電子裝聯(lián)可制造性設計[J].電子工藝技術,2006,27(3)：177-180.

[6]紀成光，陳立宇，袁繼旺，王燕梅[J].電子工藝技術,2011,32(2)：90-94.

[7]M.G.James,Y.T.Jeffrey,A.S.Jerry,Prospects for LED Lighting[J],Proceedings of SPIE 2004,5187：227-233.

[8]W.Frank,S.M.Paul,H.Gerard,High Power LED Package Requirements[J],Proceedings of SPIE 2003 5187：85-92.

Based on production technology process and cross-section observation,the cause of gold forming on anodic coating of anodic alumina substrate has been explored with fixing solution being provided.The study shows that mishandling of Ti layer etching process results in gold forming on Al2O3insulating layer during ENEPIG process,and etching the Ti layer by NH4F solution is an effective method to avoid gold formation on the Al2O3insulating layer.

anodizing; alumina substrate; Ti layer; gold on anodic coating