化學鍍N i-P鍍層狀態(tài)對引線鍵合的影響(2)

蔡積慶 譯

（江蘇 南京 210018）

（接上期）

3.3 化學鍍Ni-P析出狀態(tài)時對Ni局部腐蝕的影響

析出狀態(tài)為層狀和柱狀析出的化學鍍Ni-P鍍層之間確認了鍍Au層表面上擴散的Ni濃度的差異。這是由于與還原鍍Au置換鍍Au時進行的Ni局部腐蝕現(xiàn)象有關，觀察了還原鍍Au層/置換鍍Au層/Ni-P鍍層的截面和剝離鍍Au層以后的Ni鍍層狀態(tài)。如圖6所示，使用柱狀析出的化學鍍Ni-P鍍層，進行還原鍍Au/置換鍍Au時，確認了Ni-P鍍層上多數(shù)的孔蝕（Hole Corrosion）。這些多數(shù)的孔蝕發(fā)生在淺表層區(qū)域，一個個的孔蝕部分連接起來而呈現(xiàn)擴大傾向。P含量6 wt%的Ni-P鍍層上孔蝕顯著，與之相比，P含量8 wt%的Ni-P鍍層表現(xiàn)出抑制孔蝕的傾向。另一方面，具有層狀析出的化學鍍Ni-P鍍層情況下，孔蝕從Ni表面向深度方向進行，Ni表面的孔蝕數(shù)比柱狀析出的化學鍍Ni-P鍍層表現(xiàn)出減少的傾向。另外，同樣的層狀析出的化學鍍Ni-P鍍層中，由于P含量從6 wt%（鍍液C）上升到8 wt%（鍍液D）而孔蝕數(shù)減少且孔蝕深度變淺。根據(jù)上述結果可知，由于熱處理而使Ni難以擴散到Au表面，可以獲得粘結性良好的化學鍍Ni-P鍍層抑制了置換鍍Au時的Ni表面的局部腐蝕。

3.4 Ni析出狀態(tài)時基底金屬熔出行為的影響

根據(jù)上述結果可知由于基底化學鍍Ni-P鍍層的P含量和析出狀態(tài)而產(chǎn)生Ni局部腐蝕的差異，熱處理以后從腐蝕部分的基底金屬擴散，使引線鍵合發(fā)生很大差異。使用自制的簡易加速試裝置監(jiān)控各種化學鍍Ni-P鍍層中基底金屬的溶出行為，研究Ni-P鍍層析出狀態(tài)對析出的Au/Ni-P鍍層的耐蝕性的影響，結果如圖7所示，研究直到Ni溶出的時間，結果確認了基底金屬溶出的反應溶液的順序為鍍液A→鍍液B→鍍液C→鍍液D。利用SEM觀察加速試驗以后的試驗基板表面狀態(tài)，結果表明使用柱狀析出的化學鍍Ni-P鍍層時，鍍Au層表面出現(xiàn)變色處。利用EDS研究該變色部分的元素分析，結果確認了試驗基板的Cu材質(zhì)的表面擴散。觀察加速試驗以后的Pt電極表面，確認了Pt電極表面上析出Ni。另一方面，使用層狀析出的化學鍍Ni-P鍍層時，試驗基板表面上沒有觀察到Cu，Pt電極表面上也沒有析出Ni。采用這種試驗方法進行還原Au/置換Au/Ni-P鍍層的耐蝕性和加速試驗，結果表明即使化學鍍Au層為0.25 mm時，基底化學鍍Ni-P鍍層的析出狀態(tài)也會影響到耐蝕性。另外，具有柱狀析出的化學鍍Ni-P鍍層時，由于試驗基板材質(zhì)Cu擴散到鍍Au層表面，引起局部激烈的Ni腐蝕處存在微細針孔。

3.5 各種化學鍍Ni-P鍍層上置換Au鍍層析出行為

化學鍍Ni-P鍍層上施行化學鍍Au時，由于是在采用置換反應析出的鍍Au層上引起還原鍍Au反應，所以Au初期鍍層的置換Au鍍層狀態(tài)影響到引線鍵合或者耐蝕性等物理性質(zhì)，為了考察置換鍍Au層的鍍層狀態(tài)，采用如圖7所示的基底金屬的溶出行為確認了非常顯著的差異，從鍍液A獲得的柱狀析出的化學鍍Ni-P鍍層和從鍍液D獲得的層狀析出的化學鍍Ni-P鍍層的基板分別浸漬于置換鍍Au液中并觀察表面電位的行為。浸漬于置換鍍Au液中以后的基板表面電位表示各種Ni-P鍍層的電位，隨著時間的經(jīng)過形成置換鍍Au層，基板表面移向高電位。如圖8所示，浸漬以后的初期電位和鍍Au反應中的電位行為，置換鍍Au層厚度0.05 mm時的電位差的發(fā)生取決于化學鍍Ni-P鍍層的形狀。在層狀析出的化學鍍Ni-P鍍層情況下，初期電位表示為-0.46 V，此后的表面電位移向高電位，置換鍍Au層厚度0.05 mm時（浸漬時間420 s）表示為-0.34 V。在柱狀析出情況下，初期電位為-0.5 V。此后到浸漬時間約70 s的反應初期與層狀析出的化學鍍Ni-P鍍的情況同樣的行為，移向高電位。然而浸漬時間約80 s ～ 230 s之間，電位停止在-0.43 V附近，浸漬時間230 s以后，電位再度表現(xiàn)出上升的傾向。另外，置換鍍Au層厚度0.05 mm時（浸漬時間420 s）的電位為-0.38 V，與層狀析出的化學鍍Ni-P移層比較，表現(xiàn)出接近于基底Ni-P鍍層的電位值。

在置換鍍Au反應中，基底化學鍍Ni-P鍍層的表面狀態(tài)對置換鍍Au層的分布狀態(tài)或者表面狀態(tài)時的影響被認為是表面電位的變化。使用AFM觀察浸漬時間90 s，420 s時層狀和柱狀析出的基板表面狀態(tài)，結果確認了置換鍍Au初期（浸漬時90 s）的層狀或者柱狀析出的化學鍍Ni-P鍍層上置換鍍Au的表面狀態(tài)沒有差異，隨著浸漬時間增加析出的粒徑都增大。然而浸漬時間420 s.（鍍Au層厚度0.05 mm）的鍍Au層表面狀態(tài)，在層狀析出的化學鍍Ni-P鍍層情況下，置換鍍Au層的析出粒子分布比較均勻，而在柱狀析出的情況下局部析出粒子大，而且析出的粒子分布不均勻。根據(jù)上述結果可知，層狀析出的化學鍍Ni-P鍍層上形成的置換鍍Au層抑制了基底Ni-P鍍層的孔蝕處，由于Au析出粒子均勻分布，可以形成透過化學鍍Ni-P鍍層的微細針孔少的鍍Au層；另一方面，柱狀析出的化學鍍Ni-P鍍層由于在置換鍍Au反應初期發(fā)生許多局部的孔蝕，在寬范圍面積積上基底Ni鍍層的溶出依然長時間繼續(xù)進行，表現(xiàn)出局部腐蝕處偏向于Au析出粒子分布的傾向，由于這種Au析出粒子的不均勻性，即使置換鍍Au層厚度0.05 mm時也存在鍍Au層粒界部分到達基底Ni鍍層并促進往Ni表面擴散的微細針孔。

3.6 各種化學鍍Ni-P鍍層上還原鍍Au行為

由上述結果可知，通過觀察置換鍍Au反應時的電位，認為Au表面上Ni容易擴散是由于從置換鍍Au階段發(fā)生的微細針孔所致。以層狀和柱狀析出的基底化學鍍Ni-P鍍層上分別置換鍍Au0.05 mm的基板為作用極浸漬于還原鍍Au液中，監(jiān)控各種置換鍍Au層上還原鍍Au析出行為。如圖9所示，從浸漬以后到發(fā)生還原鍍Au反應之間，使用層狀析出的化學鍍Ni-P鍍層時電位穩(wěn)定在約-0.70 V附近，另一方面，柱狀析出的化學鍍Ni-P鍍層時電位從約-0.70 V附近緩慢下降。在層狀析出的化學鍍Ni-P鍍層情況下置換鍍Au層成膜均勻，因此置換鍍Au層的電位穩(wěn)定，另一方面，在柱狀析出的化學鍍Ni-P鍍層情況下鍍Au層成長時透過微細針孔，溶出基底化學鍍Ni-P鍍層，結果使電位下降。然后，如果發(fā)生還原鍍Au反應，與采用柱狀析出的化學鍍Ni-P鍍層相比，使用層狀析出的化學鍍Ni-P鍍層時的表面電位急劇變化。鍍Au層厚度0.25 mm時的表面電位，使用柱狀析出的化學鍍Ni-P鍍層時為-0.76 V，使用層狀析出時為-0.77 V。根據(jù)這種結果可知，在柱狀析出的化學鍍Ni-P鍍層情況下由于置換鍍Au層上存在許多微細針孔的影響，還原鍍Au層上也形成了微細針孔。還原鍍Au厚度0.20mm時，仍然殘存微細針孔，由于熱負荷而使基底化學鍍Ni-P鍍層擴散到Au表層。另一方面，在層狀析出的化學鍍Ni-P鍍層上形成的置換鍍Au層由于難以形成微細針孔，采用0.2 mm厚度的還原鍍Au層可以顯著的抑制局部的基底Ni的表面擴散。

圖10表示了基于上述結果的化學鍍Ni-P鍍層擴散到鍍Au層表面的機理?；谆瘜W鍍Ni-P鍍層的析出狀態(tài)時對鍍Au以后的線粘結強度推測如下。首先，形成各種析出狀態(tài)的化學鍍Ni-P鍍層的PCB基板，如果浸漬于置換鍍Au液中，層狀析出的化學鍍Ni-P鍍層的局部腐蝕少，柱狀析出的化學鍍Ni-P鍍層的局部腐蝕多，在這樣的狀態(tài)下發(fā)生并進行置換Au（浸Au）反應。隨著時間的增加，置換鍍Au層厚度0.05 mm時，由于層狀析出的化學鍍Ni-P鍍層比柱狀析出的局部腐蝕少，而縱方向進行置換鍍反應，所以基板表面上形成均勻的置換鍍Au層，還原鍍Au層厚度0.25 mm時，即使熱負荷以后也可以抑制Ni擴散到鍍Au層表面獲得良好的線粘結性。另一方面，由于柱狀析出的化學鍍Ni-P鍍層上置換鍍Au時的局部腐蝕處多，發(fā)生許多局部的孔蝕而形成析出粒子不均勻的置換鍍Au層，接著，如果浸漬于還原鍍Au液中，則會在不均勻的Au析出粒子處的還原鍍Au初期引起Ni的溶出。因此即使0.25 mm鍍Au層厚度也會在Ni溶出處形成不均勻的析出粒子排列的鍍Au層。這個部分的微細針孔由于熱負荷而使Ni擴散到Au表面，引起引線鍵合降低。但是當化學鍍Au層厚度為0.55 mm時，由于充分的厚度Au層積層而形成具有均勻析出粒子排列的鍍Au層，因此即使熱處理以后也與基底化學鍍Ni-P鍍層形狀無關，可以獲得良好的引線鍵合性。為了既要熱中于低成本化的鍍Au薄膜化，又可以獲得粘結性優(yōu)良的化學鍍Au/Ni-P鍍層，化學鍍Ni-P鍍液的選擇，PCB基板的表面形態(tài)，前處理液和化學鍍Ni-P鍍液的管理是重要的。另外為了把化學鍍Ni-P鍍層用作基底鍍層，需要某一規(guī)定以上的鍍層厚度。雖然為了降低成本而要求更加薄膜化的化學鍍Ni-P鍍層厚度，但是基底化學鍍Ni-P鍍層形狀和鍍層厚度影響到線粘結性，因此化學鍍Ni-P鍍液的管理狀態(tài)和鍍層厚度管理狀態(tài)都是重要的因素。

4 結語

化學鍍Ni-P鍍層中的P含量和Ni析出狀態(tài)與引線鍵合的關聯(lián)性研究結果獲得以下結論。

（1）在還原鍍Au層厚膜的情況下，基底化學鍍Ni-P鍍層的構造對引線鍵合的影響少。

（2）在還原鍍Au層薄膜的情況下，熱處理以后的引線鍵合取決于基底化學鍍Ni-P鍍層的P含量和析出狀態(tài)，特別是化學鍍Ni-P鍍層的析出狀態(tài)影響到引線鍵合性。

（3）由于化學鍍Ni-P鍍層的析出狀態(tài)而發(fā)生化學鍍Au時Ni局部腐蝕狀態(tài)的顯著差異，特別是采用柱狀析出的化學鍍Ni-P鍍層時表現(xiàn)出激烈的引起Ni的腐蝕的傾向。

（4）化學鍍Ni-P鍍層的析出狀態(tài)給予后續(xù)的置換鍍Au析出行為的影響，置換鍍Au層的表面電位發(fā)生顯著差異。另外置換鍍Au層狀態(tài)還會影響到還原鍍Au反應。

（5）化學鍍Ni-P鍍層的析出狀態(tài)為層狀析出而且P含量為8wt%時，熱處理以后仍可獲得兩的引線鍵合性。

[1]H.Haji. Hyomen Gijutsu, 49,166(1998).

[2]T. Yamamoto, H. Watanabe, K. Izawa, H. Honma;Journal of Japan institute of Electronics Packaging,6,339 (2003).

[3]A. Aiba, K. Kawamura, H. Shibuya; Proceeding of the MES2005, p.357(2005).

[4]橋本滋雄, 上玉利徹. 第37回エレクトロニクス安裝學會ヒミナ—, p.58(2004).

[5]T. Osaka, T. Misato, J. Sato, H. Akiya, T. Honma,M. Kato, Y. Okinaka, O. Yoshioka ; Journal of Electrochemical Soc, 147, 1059(2000).

[6]M. Kato ; THE CHEMICAL TIMES, 189, No.3,10(2003).

[7]K. Tashiro, S. Yamamoto, K. Ishikawa, J. Nakazato,H. Honma ; Journal of Japan Institute of Electronics Packaging,5,359(2002).

[8]巖倉文明. 表面安裝技術, 5, p, 60(1997).

[9]大久保利一, 渉谷宏明. 電子材料, 10, p,81(1997).

[10]A. Chinda, N. Miyamoto, O. Yoshioka ; Hyomen Gijutsu,49,1291(1998).

[11]加藤育詳, 寺島肇, 渡邊秀人, 本間英夫. 表面技術, vo1,62,No.1,2011.