邱成偉 劉新發(fā) 趙 強(qiáng)

（惠州中京電子科技有限公司，廣東 惠州 519029）

0 前言

由于化學(xué)鎳鈀金（ENEPIG）工藝可以同時滿足鍵合金線和錫膏焊接的需求，因此現(xiàn)在更多的印制電路板（PCB）表面涂覆都會優(yōu)先選擇鎳鈀金作為最終表面處理，鎳鈀金工藝具有良好的晶格結(jié)構(gòu)，鈀是一種比較穩(wěn)定的金屬，400 ℃以內(nèi)很難被氧化，化學(xué)沉積的鈀層晶格排列整齊，晶粒大小均勻，結(jié)構(gòu)致密，在鎳層和金層中間增加一層鈀層，能夠有效地阻擋鎳層向金層遷移。在PCB錫膏焊接過程中，由于是先進(jìn)行貼片回流焊接，再進(jìn)行背面鍵合金線，而回流焊的高溫會促使鎳向金層擴(kuò)散，導(dǎo)致金層鎳含量增加，鎳氧化物的增加進(jìn)而會影響金面的打線效果。因此目前鍵合金線產(chǎn)品最佳的涂覆工藝仍是選擇化學(xué)鎳鈀金。但由于鎳鈀金的成本過高，因此有必要研究降低鎳鈀金的制作成本或選擇能否替代鎳鈀金，同時仍能滿足與鎳鈀金相接近的鍵合金線及錫膏焊接性能的新涂覆工藝。

1 工藝流程

鎳鈀金與普通鎳金的差異，只是在于鎳鈀金多了沉鈀槽和雙聯(lián)水洗，其本質(zhì)上并無太大的差異，鈀層可以阻擋鎳往金層的擴(kuò)散和遷移，同時還能阻擋鎳與沉金藥水的接觸從根本上解決鎳腐蝕的問題，因此鈀層需要一定的厚度。

1.1 普通鎳金流程

1.2 鎳鈀金流程

除油→熱水洗→雙水洗→微蝕→雙水洗→酸洗→雙水洗→預(yù)浸→活化→雙水洗→后浸→雙水洗→沉鎳→雙水洗→熱水洗→沉鈀→雙聯(lián)水洗→沉金→金回收→雙水洗→熱水洗

1.3 銀鈀金流程

除油→熱水洗→雙水洗→微蝕→雙水洗→預(yù)浸→化銀→雙水洗→沉鈀→雙水洗→沉金→金回收→雙水洗→熱水洗

基于鎳的磁性，5G產(chǎn)品對信號傳輸要求去鎳化是必然的，我司用銀取代鎳層，中間層用鈀可以起到無損耗信號傳輸?shù)淖饔?，而且鈀的硬度夠硬（鈀莫氏硬度為4.75，金莫氏硬度為2.50），很薄的鍍層即可得到較好的耐磨性能以及可以達(dá)到后段打金線需要的支撐力。

1.4 普通鎳金+返向沉鈀+封孔劑流程

除油→熱水洗→雙水洗→微蝕→雙水洗→酸洗→雙水洗→預(yù)浸→活化→雙水洗→后浸→雙水洗→沉鎳→雙水洗→預(yù)浸→活化→雙水洗→沉金→金回收→雙水洗→熱水洗→清洗→烘干→浸泡封孔劑→清洗→烘干

2 測試項(xiàng)目

一些測試項(xiàng)目見表1所示。

表1 測試項(xiàng)目

3 技術(shù)原理

（1）化學(xué)鍍鎳為自催化氧化還原反應(yīng)，一般以次磷酸鹽作為還原劑，反應(yīng)式如式（1）所示。

（2）化學(xué)鍍鈀反應(yīng)機(jī)理與化學(xué)鍍鎳反應(yīng)機(jī)理相同，也是以次磷酸鹽作為還原劑進(jìn)行的自催化氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)式如式（2）所示。

（2）生產(chǎn)設(shè)備綜合性能：制造工藝、產(chǎn)品質(zhì)量等也會對生產(chǎn)設(shè)備的消耗產(chǎn)生重要的影響，生產(chǎn)設(shè)備質(zhì)量越好，平均故障間隔時間越小，生產(chǎn)設(shè)備的需要采購量就越小。

（3）由化學(xué)鍍鈀反應(yīng)原理可以看出，鈀鍍層為化學(xué)還原形成，可以有效抑制鎳表層的氧化發(fā)生，防止黑盤缺陷產(chǎn)生，從宏觀的角度解析，實(shí)際上鎳鈀金的主要目的還是為了解決鎳腐蝕和作為鎳和金層之間的阻礙層，因此設(shè)想兩種方案：①為使用普通鎳金線在完成沉鎳后返回前面的活化槽再沉一次鈀，最終完成沉鎳后再通過浸泡封孔劑的方式防止鎳遷移；②方式為使用銀鈀金作為綁定金線的一面表面涂覆工藝，而貼片焊接的面則選擇使用有機(jī)保焊膜OSP作為涂覆工藝。

4 制作參數(shù)

不同表面處理涂覆層參數(shù)見表2所示。測試藥水使用韓國YMT系列鎳鈀金和銀鈀金藥水進(jìn)行測試。

表2中試驗(yàn)的4種表面處理的最外層都是金層，但從外觀上觀察是有明顯的差異，見圖1所示，其中試驗(yàn)3為銀鈀金，金面顏色呈啞色無光澤，與化鎳金板噴砂后的顏色一致。試驗(yàn)2為鎳鈀金，金面雖無銀鈀金般黯淡無光，但與化鎳金相比仍呈現(xiàn)較啞光顏色。

表2 不同表面處理涂覆層參數(shù)

圖1 不同表面處理外觀

5 測試結(jié)果

5.1 錫球擴(kuò)散測試

使用0.4 mm錫球在放置在不同表面處理相同焊盤上做錫擴(kuò)散測試見圖2所示。

圖2 不同表面處理焊盤上錫擴(kuò)散

從錫球擴(kuò)散測試可以發(fā)現(xiàn)（回流2次后的測試結(jié)果）銀鈀金和鎳鈀金錫擴(kuò)散能力差異不大，但發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)4在沉鎳后返沉活化，沉金后再浸泡封孔劑的方式散錫能力最佳。

5.2 錫球推力/拉力測試

測試方法為在3 s內(nèi)將ф1 μm細(xì)導(dǎo)線焊接在印制電路板最小焊盤上，拉線應(yīng)與印制電路板表面垂直，將印制電路板用雙面膠固定在TA-630自由輪上，將拉線用拉力計掛鉤連接，按剝離強(qiáng)度規(guī)程進(jìn)行測試，記錄拉力測試結(jié)果見表3所示。

表3 焊錫線拉力測試結(jié)果

從拉力測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，4種不同表面處理方式在回流2次后的測試結(jié)果，沉鎳后+返沉鈀+沉金后浸泡封孔劑的制作工藝其焊錫拉力最高，其次是銀鈀金、鎳鈀金、化鎳金。

5.3 金線鍵合拉力測試

155 ℃/加烤4 h后用全自動打金線機(jī)ф1 μm金線，測試金線拉力，測試結(jié)果見表4所示。

表4 金線拉力測試結(jié)果（單位：g）

金線與焊盤鍵合一般使用熱超聲鍵合工藝，其工藝原理是在外加壓力及超聲頻率振動的作用下，去除金屬表面氧化膜，金線與焊盤表面接觸形成微觀焊點(diǎn)，隨著焊點(diǎn)面積逐漸增大，界面間的微小孔洞消失，同時在高溫作用下金屬原子發(fā)生相互擴(kuò)散，形成可靠的宏觀焊點(diǎn)。

鍵合設(shè)備：Hughes 2460 H，測試設(shè)備：Dages Series 4000。從金線拉力和金球推力測試結(jié)果（見表5所示）中可以發(fā)現(xiàn)，鎳鈀金的測試數(shù)值是最高標(biāo)的。

表5 金球推力測試結(jié)果（單位：g）

5.4 鹽霧測試

5%的NaCL溶液，35 ℃，觀察24 h腐蝕狀況。從鹽霧測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在完成24 h的鹽霧測試后，4種不同制作工藝的金面都存在不同程度的變色，其中變色嚴(yán)重程度：化鎳金＞化鎳金+封孔劑＞鎳鈀金＞銀鈀金；銀鈀金的金面變色程度最輕微。

5.5 恒溫恒濕測試

溫度：85 ℃，濕度：85%，時間：96 h。從恒溫恒濕測試結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，4種不同表面處理均未出現(xiàn)有嚴(yán)重氧化、離子遷移、金面發(fā)紅等現(xiàn)象。

5.6 上錫性測試

無鉛回流焊2次后使用265 ℃、5 s錫爐浸錫觀察焊點(diǎn)上錫性。從上錫性測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)4種表面處理方式上錫均飽滿。

5.7 焊墊腐蝕分析

使用掃描電子顯微鏡（SEM）在3000倍下觀察剝金后的表面和截面腐蝕狀況。如圖3所示，從焊墊腐蝕分析結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，鎳鈀金完全可以做到無鎳腐蝕，其中銀鈀金的刺入腐蝕點(diǎn)較多,而沉鎳后返沉鈀，沉金后浸泡封孔劑的方式較由傳統(tǒng)化鎳金制作的鎳腐蝕僅有少處刺入腐蝕點(diǎn)，而有明顯的晶界腐蝕，致密性稍差。

圖3 SEM觀察不同表面處理剝金后的表面

5.8 截面切片斷層能譜EDS面掃分析

通過能譜EDS面掃分析出各金屬層元素分布。見圖4所示，從能譜EDS面掃分析結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，化鎳金無明顯差異，銀鈀金可以實(shí)現(xiàn)制作。

圖4 不同表面處理截面斷層能譜EDS面掃分析

5.9 俄歇電子AES淺層濺射分析

通過AES分析儀探測高溫后的金層是否存在其他金屬遷移。俄歇電子能譜分析（AES）可以控制探測深度，只探測純金層中是否含有其他元素。表6所示可以得知，過2次回流焊后鎳鈀金的金層淺表層基本上沒有鎳元素存在，而化鎳金和化鎳金+返沉鈀+封孔劑制作的鎳遷移程度比較，顯然傳統(tǒng)化鎳金的遷移較多。

表6 AES分析結(jié)果

6 金線拉力及推力失效分析

金線拉力和晶球推力測試完畢后焊點(diǎn)位置分析確認(rèn)，如圖5所示。

圖5 金線拉力和晶球推力測試完畢后焊點(diǎn)位置分析

7 結(jié)論

（1）化學(xué)鎳金后再進(jìn)行浸泡封孔劑的方式上錫性可以大大地提高，原理在于微薄的鈀層和封孔劑的作用下可以有效地阻礙高溫后的離子遷移問題。由于金和鎳之間沒有鈀層，擔(dān)心的是打線時焊墊支撐硬度不足，容易造成平整性差但從金線拉力和金球推力測試結(jié)果反饋，但從金線鍵合和晶球推力的測試結(jié)果來看，推力測試，化鎳金+反向沉鈀+封孔的方式和傳統(tǒng)化鎳金的方式都與鎳鈀金差異10 g以上的推力，化鎳金+反向沉鈀+封孔的方式在拉力值上高于傳統(tǒng)化鎳金，但與鎳鈀金比仍低于0.6 g以上。

因此下一步改進(jìn)思路在于增加活化鈀的濃度和厚度（沉鎳后增加活化槽），需做鎳鈀金工藝的改為化鎳金+反向沉鈀+封孔的方式進(jìn)行小量測試，以求大幅度降低鍵合金線產(chǎn)品的成本。

（2）從測試結(jié)果得出，銀鈀金可以作為新型的表面處理工藝，但銀鈀金的制作成本更高，且各項(xiàng)性能測試與傳統(tǒng)化鎳金并無太大差異，因此銀鈀金更加適合用于5G高頻高速微帶線產(chǎn)品上，用于解決信號傳輸衰減的問題。

目前急需解決的工藝難點(diǎn)在于，在測試過程中發(fā)現(xiàn)銀鈀金藥水有過度攻擊油墨致使其變色的現(xiàn)象，因此銀鈀金工藝要實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化，仍需對藥水再進(jìn)一步改進(jìn)和測試。