取代化學(xué)鎳金用于線寬線距小于30μm高密度印制板的新技術(shù)

方景禮

（南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210023）

1 化學(xué)鍍鎳金工藝的優(yōu)勢(shì)

目前在微電子領(lǐng)域的表面處理技術(shù)中，化學(xué)鍍鎳/金層以其價(jià)格適中、耐磨性好、分散能力強(qiáng)、可焊性好和多次焊接性能、良好的打線性能，能兼容多種助焊劑，能在多種類(lèi)型的基體，例如Al、Cu、Si、聚合物表面進(jìn)行鎳/金的沉積，同時(shí)，它又是一種極好的銅面保護(hù)層。隨著半導(dǎo)體產(chǎn)品向輕、薄、短、小的方向發(fā)展，F(xiàn)1ip Chip（倒裝芯片封裝技術(shù)）越來(lái)越得到重視。Flip Chip技術(shù)中的凸點(diǎn)制作工藝有多種，如通過(guò)電鍍或化學(xué)鍍?cè)谛酒琁/O金屬墊上直接制作凸點(diǎn)。多數(shù)工藝則是先在I/O金屬墊上制作一金屬層，然后通過(guò)印刷錫膏或直接放置成型錫球的方法制作凸點(diǎn)?；瘜W(xué)鍍鎳金具有廉價(jià)和適用于Sn/Pb合金和粘合劑、良好的可焊性和阻擋擴(kuò)散性等優(yōu)點(diǎn)，化學(xué)鍍鎳/金

在UBM技術(shù)中可以用作凸點(diǎn)的基底或作為凸點(diǎn)與導(dǎo)電粘結(jié)劑的連接。

化學(xué)鍍鎳/金鍍層可滿(mǎn)足更多種組裝要求，具有可焊接、可接觸導(dǎo)通、可打線、可散熱等功能，同時(shí)其板面平整、SMD（表面貼裝器件）焊盤(pán)平坦，適合于細(xì)密線路、細(xì)小焊盤(pán)的錫膏熔焊，能較好用于COB及BGA的制作，又是一種極好的銅面保護(hù)層。因此，化學(xué)鍍鎳/金工藝在印制線路板的制作上得到迅速推廣應(yīng)用[1]-[3]。

2 化學(xué)鍍鎳金工藝的缺點(diǎn)[4]

化學(xué)鍍鎳/置換鍍金的反應(yīng)式為：

Ni2P+4[Au(CN)2]-→4Au+P+2[Ni(CN)4]2-

金配離子腐蝕Ni-P合金產(chǎn)生金鍍層，殘留的P留在Au/Ni層之間造成“黑帶”，“黑墊”現(xiàn)象使焊接性能明顯降低（如圖1）。

圖1 化學(xué)鍍鎳金時(shí)形成的”黑帶”

隨著印制電路板和芯片上的線路設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，線寬和線距更小，化學(xué)鍍鎳金過(guò)程中容易出現(xiàn)的問(wèn)題主要是鍍鎳金層出現(xiàn)滲漏問(wèn)題。尤其對(duì)超高密度線路板和芯片，由于化學(xué)鍍鎳時(shí)鈀活化劑易夾雜在兩線路之間，引起滲鍍或超鍍（over plating）或線路交聯(lián)，使線路短路，造成產(chǎn)品報(bào)廢。

3 化學(xué)鍍鎳金工藝的使用極限線寬和線距的測(cè)定

為了確定化學(xué)鍍鎳金工藝的使用極限線寬和線距，我們選用的CIS硅晶圓，表面已經(jīng)電鍍有銅層,線條寬為60 μm，線距分別為10 μm～60 μm的芯片來(lái)進(jìn)行化學(xué)鍍鎳，化學(xué)鍍鎳采用市售化學(xué)鎳/金用的化學(xué)鍍鎳用的各種溶液，所用工藝流程為：除油（45 ℃，2 min）→微蝕（室溫，1 min）→預(yù)浸（室溫，1 min)→鈀活化（室溫，3min）→后浸（室溫，2 min）→化學(xué)鍍鎳（82 ℃，15 min，pH4.4～4.8）。試驗(yàn)樣品為銅芯，線寬均60 μm，結(jié)果如圖2和圖3所示化鎳嚴(yán)重交聯(lián)，這表明化學(xué)鍍鎳工藝的使用極限線寬和線距為60 μm以上。

圖2 芯片化學(xué)鍍鎳后的交聯(lián)情況

圖3 線寬線距為60 μm和60 μm的芯片化學(xué)鍍鎳后的交聯(lián)情況

4 取代化學(xué)鎳金用于線寬線距＜30 μm超高密度PCB和ULSI的新技術(shù)[5][6]

目前超大規(guī)模集成電路（ULSI）和印制電路板所使用的金屬材料有銅或金等等。銅的成本價(jià)格低，導(dǎo)電性及熱導(dǎo)性?xún)?yōu)良，具有良好均勻性、致密性，但它也有許多缺點(diǎn)，如易氧化，尤其是加熱時(shí)更易氧化，易與周?chē)沫h(huán)境發(fā)生反應(yīng)，會(huì)和空氣中二氧化碳作用形成銅綠，與基體的粘附性差，易在硅中形成擴(kuò)散，在較低的溫度下就可以形成銅與硅的化合物。金鍍層具有耐色變性能好，同時(shí)具有耐腐蝕、耐磨損、抗氧化、接觸電阻低、可焊接性好、可熱壓鍵合等優(yōu)良性能，又可作為功能性、防護(hù)性鍍層，因而鍍金層也廣泛用于電子產(chǎn)品，但其成本價(jià)格高。銀鍍層反射率高，導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)良，焊接性能好，可熱壓鍵合，對(duì)高頻信號(hào)的損耗極小，它在硅中不易擴(kuò)散，易晶化，孔隙率小，可以避免使用阻擋層材料而增加工藝和成本，最主要的是銀具有金屬中最小的電阻率（1.61 μΩ.cm）[7]，因此微堿性化學(xué)鍍銀能取代化學(xué)鎳金用于線寬線距＜30 μm超高密度PCB和ULSI的新技術(shù)。

5 微堿性化學(xué)鍍銀工藝的特點(diǎn)

（1）符合表面終飾未來(lái)發(fā)展之必備要求；

（2）成本低；

（3）產(chǎn)品適用性廣，適于剛性和撓性印制板和芯片；

（4）工藝簡(jiǎn)單、操作溫度較低、時(shí)間短；

（5）IPC2003會(huì)議評(píng)比為信賴(lài)性最佳（72 ℃，RH85%，48周）；

（6）導(dǎo)電性最佳，表面平整，無(wú)尖端發(fā)射問(wèn)題，有利于高速、高頻訊號(hào)發(fā)展；

（7）優(yōu)異的微盲孔覆蓋性；

（8）可打鋁線（Al wire bonding）；

（9）適用于水平和垂直生產(chǎn)線使用；

（10）對(duì)超高密度線路不會(huì)發(fā)生交聯(lián)現(xiàn)象。

6 用超高密度線路的芯片化學(xué)鍍銀

化學(xué)鍍銀采用的是我們專(zhuān)利的工藝與藥水[8]，選用CIS硅晶圓，表面已經(jīng)電鍍有銅層，線條寬為60 μm，線距分別為10到60 μm的芯片來(lái)進(jìn)行化學(xué)鍍銀，所用工藝流程為：

除油（45 ℃，2 min）→微蝕（室溫，1 min）→稀硫酸洗（室溫，1min）→預(yù)浸銀（30 ℃，1 min，pH8.8-9.2）→浸銀（60 ℃，4 min，pH8.8～9.2），各步驟間有三次DI水洗。所得結(jié)果如圖4、圖5所示，均沒(méi)有交聯(lián)（如圖4、圖5）。

圖4 芯片化學(xué)鍍銀后的情況

圖5 線寬60 μm和線距20 μm的片化學(xué)鍍銀后沒(méi)有交聯(lián)

由圖可見(jiàn)，線寬60 μm、線距在10～60 μm的超細(xì)線路經(jīng)化學(xué)鍍銀后外觀均勻、平整,都沒(méi)有交聯(lián)或漏鍍等現(xiàn)象。這表明化學(xué)鍍銀工藝適于線距小到10 μm的超高密度芯片和PCB的電鍍，是可取代化學(xué)鎳金用于線寬線距＜30 μm超高密度PCB和ULS（其大規(guī)模集成電路）I的新技術(shù)。

7 化學(xué)鍍銀層的焊接性能和打線功能[9]

7.1 化學(xué)鍍銀層的焊接性能

（1）銀層在155 ℃烘烤后的可焊性（如圖6）。

圖6 銀層在155 ℃烘烤后的可焊性

（2）回流焊數(shù)次前后的可焊性（如圖7）。

圖7 銀層在回流焊數(shù)次后的可焊性

銀層在 Heller 回流焊機(jī)上重熔數(shù)次后的可焊性仍然優(yōu)異，超過(guò)了B公司銀層的水平,可焊性與 ENIG（化學(xué)鍍鎳金）相近，說(shuō)明化學(xué)鍍銀層具有優(yōu)良的焊接性能。

6.2 化學(xué)鍍銀層的打線功能

（1）銀層在155 ℃烘烤后的打線性能（如圖8）。

圖8 烘烤后的打線性能

（2）回流焊數(shù)次前后的打線性能（如圖9）。

圖9 回流焊數(shù)次后的打線性能

浸銀層在155 ℃下烘烤4 h前后的打線性能是優(yōu)良的，其效果與 ENIG 相當(dāng)，浸銀層在通過(guò)3次回流焊后仍具有優(yōu)良的打線性能，其效果與ENIG 相當(dāng)，說(shuō)明化學(xué)鍍銀層具有優(yōu)良的打線性能。

8 化學(xué)鍍銀層上化學(xué)鍍金

雖然厚度為0.2～0.3 μm的化學(xué)鍍銀層就可達(dá)到PCB化學(xué)鍍鎳金（4 μm Ni+0.1 μm Au）的焊接和打線性能，但為了進(jìn)一步提高化學(xué)鍍銀層的抗蝕性和抗氧化性能，增強(qiáng)打金線的強(qiáng)度，也可在0.2 μm化學(xué)鍍銀層上再鍍上0.05～0.1 μm的化學(xué)鍍金層.這樣形成的化學(xué)鍍銀/化學(xué)鍍金有如下的優(yōu)點(diǎn)：

（1）化學(xué)鍍銀不需要鈀催化劑，不會(huì)出現(xiàn)超鍍或交聯(lián)現(xiàn)象，適于超高密度線路板和超大規(guī)模集成電路芯片的電鍍；

（2）化學(xué)鍍銀取代化學(xué)鍍鎳不會(huì)出現(xiàn)”黑墊”和”黑帶”，不會(huì)影響焊接性能；

（3）用化學(xué)鍍銀/化學(xué)鍍金取代電鍍鎳/金可以節(jié)約金的用量；

（4）化學(xué)鍍銀,化學(xué)鍍銀/化學(xué)鍍金的成本低于化學(xué)鍍鎳/置換鍍金、化學(xué)鍍鎳/化學(xué)鍍鈀/置換鍍金或電鍍鎳/金；

（5）化學(xué)鍍銀或化學(xué)鍍銀/化學(xué)鍍金可能是適于5G時(shí)代使用的新技術(shù),值得深入研究和開(kāi)發(fā)。