LTCC基板化學鍍鎳鍍鈀浸金工藝研究

王穎麟 李 俊

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024）

0 引言

低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic，簡稱LTCC）技術是20世紀80年代發(fā)展起來的實現(xiàn)高密度多層基板互連的技術。由于其三維布線靈活度高，信號傳輸速度快，高頻特性好，集成密度高，可靠性好等一系列優(yōu)點被廣泛應用于微波通信、航空航天和軍事電子等領域。在LTCC技術中，一般使用金或者銀作為導體材料。由于其電導率更高，電路損耗低，使用頻率可高達幾十GHz，但同時金等貴金屬的使用也使得LTCC成本更高，成為限制LTCC技術發(fā)展和推廣的一個重要制約因素。根據(jù)統(tǒng)計，LTCC全金基板金漿料成本占整個基板材料成本的60%甚至更高。

全銀LTCC基板化學鍍工藝是指在全銀LTCC基板表層、背面層以及腔體內露出層的銀導體上化學鍍鎳/鈀/金（ENEPIG）層，既能解決銀導體易氧化和銀離子遷移的問題，又能大量減少金等貴金屬的使用，大幅度降低LTCC基板制造成本，并實現(xiàn)鍵合、焊接等互聯(lián)需求。全銀LTCC基板化學鍍工藝具有以下優(yōu)點：

（1）鍍層均勻性好，鍍層晶粒細，無孔，耐腐蝕性好，化學穩(wěn)定性好，接觸電阻低，導電性能好，易于焊接。

（2）化學鍍工藝設備簡單，無需電源和電極。

（3）化學鍍不受基板復雜程度影響，與電鍍相比，可鍍表面具有大量孤島焊盤的復雜布線基板，避免電鍍工藝中的工藝線將孤島焊盤互聯(lián)，大大簡化了表面鍍覆工藝流程，成為LTCC/HTCC（高溫共燒陶瓷）高密度布線基板的優(yōu)選方案。

（4）與全金LTCC基板相比，極大減少了金、鉑、鈀等貴金屬的使用量，從而降低了成本，僅有全金LTCC基板成本的30%～40%左右，為微波LTCC多層基板的低成本生產(chǎn)提供了一條有效的技術途徑。

（5）ENEPIG鍍層能夠滿足多種封裝工藝的需求，例如表面組裝工藝、金屬絲鍵合工藝、倒裝芯片焊接工藝等，具有萬能鍍層的美譽。

（6）由于在鎳層和金層之間加入一層鈀層作為阻擋層，降低了鎳金原子之間擴散，避免了焊盤黑化引起的焊盤失效問題，同時也改善了金絲鍵合能力，提高了產(chǎn)品的可靠性。

1 原理和工藝流程

1.1 原理

化學鍍是指在沒有電流通過的情況下，利用化學方法使溶液中的還原劑被氧化而釋放自由電子，把金屬離子還原為金屬原子并沉積在基體表面，形成鍍層的一種表面加工方法。全銀LTCC基板化學鍍工藝是指在全銀LTCC基板表層、背面層以及腔體內露出層的銀導體上ENEPIG，LTCC基板化學鍍鎳鈀金鍍層結構（見圖1）。

LTCC基板ENEPIG工藝表面鍍層的生長分為3步，分別化學鍍鎳、化學鍍鈀、化學浸金，化學鍍鎳是以次磷酸鹽作為還原劑而進行自催化氧化還原反應，進而在銀面上沉積上一層均勻致密Ni-P層，反應如下：

H2PO2-＋H2O→HPO32-＋H+＋2H

Ni2+＋2H→Ni↓＋2H+

2H2PO2-＋H→HPO32-＋H2O＋P＋H2↑

化學鍍鈀的反應機理和化學鍍鎳的機理相同，通常采用次磷酸鈉+鹽酸體系進行氧化還原反應生成致密的Pd-P層，反應示意圖如圖1，鈀層會直接沉積在Ni-P層上，鈀層比鎳層更為致密，可有效阻止鎳腐蝕的發(fā)生。反應方程式如下：

H2PO2-＋H2O→HPO32-＋H+＋2H

Pd2++2H→Pd↓+2H+

22H2PO2-＋H→HPO32-＋H2O＋P＋H2↑

化學浸金屬于置換反應，金與鎳置換或者金與鈀置換，反應方程式如下：

2Au++Pd→2Au+Pd2+

或2Au++Ni→2Au+Ni2+

其中，當鈀層較厚時，則鈀層排列致密，只發(fā)生金與鈀置換的反應；若鈀層較薄，則金液會透過鈀層晶格間隙與鎳層接觸，金即與鈀置換也與鎳置換，會造成鈀層與鎳層剝離的風險，因此，鈀層須有一定的厚度。

圖1 LTCC基板化學鍍鎳鈀金鍍層結構

1.2 工藝流程

LTCC基板化學鍍與常規(guī)的PCB在結構上有很大的不同，首先，LTCC基板表面銀導體中含有較多的玻璃相，活化難度較大；其次LTCC材料密度低，耐酸堿腐蝕性差，易受到鍍液腐蝕；另外，LTCC基板大多具有復雜的腔體結構，腔體內銀層鍍液流動性差，不易清洗和刻蝕、活化，易產(chǎn)生滲鍍漏鍍等質量問題。所以LTCC基板化學鍍工藝必須通過多次試驗驗證，優(yōu)化工藝和參數(shù)，保證基板的質量。

LTCC基板ENEPIG流程為：

除油→清洗→蝕刻→中和→活化→化鍍鎳→化鍍鈀→化鍍金

1.2.1 除油工序

由于LTCC基板不耐酸性和堿性溶液腐蝕，相對而言，耐酸性更差一些，所以采用弱堿性除油劑進行基板表面的除油工序，除油工序溫度為50 ℃，除油時間為5 min。除油后進行熱水洗和等離子水清洗，清除殘留的除油劑有機成分。

1.2.2 蝕刻

LTCC基板表面銀導體中含有較多的玻璃成分，可鍍性差，需要對基板表面銀導體進行玻璃相刻蝕，改善銀導體表面狀態(tài)，從而改善化學鍍層質量。蝕刻溶液的選擇主要從兩個方面考慮：第一，能達到較好的蝕刻效果，改善LTCC基板銀導體表面狀態(tài)，增強導體層的可鍍性；第二，對陶瓷基板沒有腐蝕。通過對不同種類刻蝕溶液刻蝕效果的試驗和比較，選用40 g/L的氫氧化鈉溶液進行銀導體表面的玻璃相刻蝕。

1.2.3 活化

活化處理是將刻蝕后的基板浸如含有催化活性的貴金屬化合物溶液中，使基板表面金屬導體上生成一層具有催化活性的貴金屬層，這些具有催化活性的金屬微粒是化學鍍的結晶中心。本文中LTCC基板采用的離子型活化液一般是氯化鈀型活化液，氯化鈀活化液價格比較高，但穩(wěn)定性好，使用壽命長?；罨荓TCC基板化學鍍的重要工序，活化工藝的好壞直接影響到后續(xù)鍍層質量，活化工序的主要參數(shù)包括活化液鈀離子濃度、活化溫度和活化時間，鈀離子濃度過低，容易導致漏鍍；鈀離子濃度過高，容易導致滲鍍?；罨捎免Z濃度50 mg/L的中性活化液，化鍍后基板無滲鍍，漏鍍現(xiàn)象發(fā)生，可以得到外觀良好的鍍層?；罨瘻囟葘﹀儗油庥^質量有明顯的影響，活化溫度過高，容易產(chǎn)生滲鍍，活化溫度過低，容易產(chǎn)生漏鍍?；罨瘯r間對滲鍍漏鍍有一定影響，活化時間過短，容易產(chǎn)生漏鍍。

1.2.4 化學鍍鎳

鎳層的作用主要有兩方面：一是作為阻擋層，防止LTCC基板銀層和鍍金層的相互擴散；二是在焊接時與Sn形成良性介面合金共化物Ni3Sn4，保證良好的裝配焊接性能。陶瓷基板化學鍍鎳一般采用化學鍍鎳-磷合金或者化學鍍鎳-硼合金，本文中LTCC基板化學鍍鎳采用化學鍍鎳-磷合金，化學鍍鎳-磷合金是在Pd催化表面的作用下，采用NaH2PO2作為還原劑，通過氧化還原反應沉積Ni層；鎳層中含磷量5%左右。當Ni層完全覆蓋Pd催化層后，單質Ni又作為化學鍍鎳的催化劑，促使Ni沉積過程繼續(xù)進行。LTCC基板化學鍍鎳層厚度一般為4～6 μm。

1.2.5 化學鍍鈀

鈀層作為阻擋層，阻止了Au沉積過程中溶液對Ni層的腐蝕，也阻擋了Ni向Au層擴散；同時，致密的Pd層也可作為抗氧化層、抗腐蝕層，提高可焊性?；瘜W鍍鈀的反應機理與化學鍍鎳相似，也采用NaH2PO2作為還原劑，通過氧化還原反應沉積Pd層。

1.2.6 化學浸金

ENIG工藝中金層具有低接觸電阻、不易被氧化、強度高耐摩擦的特點，可以滿足電路導電性要求，保護Ag層和Ni層不被氧化，從而保證Ni層的可焊性?；瘜W浸金是通過置換反應在Ni層表面生成Au層；置換反應將在生成的Au層完全覆蓋Ni層后終止，因此，Au層厚度較薄。

2 實驗過程

2.1 LTCC基板材料選擇

與PCB、氧化鋁等基板相比，LTCC基板從材料和化鍍工藝方面都有很多不同之處，LTCC基板化學鍍工藝主要難點有以下幾點。

根據(jù)LTCC基板化學鍍工藝的特點，LTCC基板材料的選擇一般應滿足以下要求：

（1）陶瓷燒結后致密性好，耐酸堿腐蝕，對化鍍鍍液不產(chǎn)生污染；

（2）基板表面銀導體致密性好，孔隙率小，玻璃含量較少；

（3）基板表面銀導體層粗糙度適中，可鍍性好，鍍層附著力好。

實驗選用杜邦9k7全銀材料體系的LTCC基板進行化學鍍，并對化鍍結果進行測試。

2.2 化學鍍工藝參數(shù)選擇

（1）LTCC基板表面銀導體中含有較多的玻璃相，活化難度較大。

（2）LTCC基板表面布線密度大，線寬/線間距較小，容易產(chǎn)生滲鍍，導致短路。

（3）LTCC基板大多具有復雜的腔體結構，腔體內銀層鍍液流動性差，不易清洗和刻蝕、活化，易產(chǎn)生滲鍍漏鍍等質量問題。

（4）LTCC材料密度低，耐酸堿腐蝕性差，易受到鍍液腐蝕。

另外，化學鍍液穩(wěn)定性較差，易造成工藝不穩(wěn)定，容易造成滲鍍、漏鍍、焊盤腐蝕、陶瓷腐蝕等質量缺陷（見表1）。

3 結果與討論

3.1 鍍層基本性能

鎳鈀金化學鍍LTCC基板樣品如圖2所示，無色差、漏鍍、滲鍍，陶瓷基板無腐蝕。圖3為化學鍍鎳鈀金LTCC基板SEM（掃描電子顯微鏡）圖和EDS（能散X線光譜儀）分析結果，可以看出基板鍍層致密，鍍層無污染。

表1 化學鍍工藝參數(shù)

3.2 鍍層厚度

ENEPIG在LTCC基板實際應用中表面鍍層需要滿足錫鉛焊或者金錫焊、金絲鍵合等組裝要求，組裝工藝一般為先進行錫鉛或者金錫焊接，再進行金絲鍵合，如果鍍金層厚度太薄，在焊接后金層會發(fā)白，影響鍵合可靠性，為了解決金層焊接后發(fā)白的問題，對化學鍍工藝進行調整和優(yōu)化，主要調整兩個方面：（1）通過增加鍍鈀時間，增加鈀層厚度；（2）使用還原性質的鍍金液對金層進行加厚。

使用X射線衍射鍍層膜厚測試儀對調整優(yōu)化ENEPIG工藝前后的鍍層厚度進行測試，測試結果（見表2）。

將調整工藝后的LTCC基板進行300℃高溫烘烤試驗，無金層發(fā)白現(xiàn)象。由此可見增加鈀層和金層厚度可以有效防止焊接后金層發(fā)白現(xiàn)象，有效提高焊接后金絲鍵合可靠性。

3.3 鍍層可焊性

對化學鍍鎳鈀金LTCC基板可焊性進行測試，膜層上錫良好，缺陷面積小于5%，可焊性合格。

3.4 鍍層鍵合強度測試

用金絲鍵合機在測試樣品表面鍵合20根25 μm金絲，然后使用拉力測試儀進行拉力測試，測試結果（見圖4）。

4 結束語

全銀材料體系LTCC基板化學鍍基板工藝與傳統(tǒng)LTCC技術相比，具有成本低，可焊性好，可同時滿足金錫焊、錫鉛焊、金絲鍵合等多種組裝工藝等優(yōu)勢，與電鍍工藝相比，避免了金屬輔助線電連接，對于復雜布線結構、孤單焊盤多的LTCC基板具有良好的應用前景。通過優(yōu)化LTCC基板鎳鈀金化學鍍工藝，解決了高溫焊接后金層顏色發(fā)白，鍵合可靠性差的難題，通過對鍍層厚度、鍍層可焊性、金絲鍵合拉力等性能進行測試，均滿足產(chǎn)品應用需求。

表2 ENEPIG的鍍層厚度

圖4 鍵合強度測試