銅電鍍方式對鎳鈀金表面打線鍵合性能的影響

張鈺松 姚曉建 鈕榮杰 黃達武 曾文亮

（廣州美維電子有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引言

印制電路板（printed circuit board，PCB）面涂飾鎳/鈀/金工藝最早出現于20 世紀90 年代。早期由于焊料中含有鉛，而鈀與鉛不兼容，易影響Ni/Sn 均勻性，使得鎳/鈀/金工藝發(fā)展受到制約［1］。2006 年，歐盟頒布RoHS 指令，要求使用無鉛焊料，促使鎳/鈀/金工藝被科研人員重點關注并研究［2］。陳先明等［3］研究將化學鍍鎳鈀浸金（ENEPIG）運用到封裝基板的表面處理，發(fā)現其可焊性與引線鍵合能力優(yōu)于電鍍鎳金，且滿足無鉛工藝要求，有望在高端封裝基板得到廣泛運用；李志丹等［4］對ENEPIG 在撓性電路板中展開研究，通過耐高溫、鹽霧、可焊性等測試，發(fā)現ENEPIG 能夠避免化學鎳/金（ENIG）表面處理中存在的黑盤失效問題，同時與化學鎳/金+有機可焊保護層表面處理相比，其成本降低8%～10%，是一種經濟實用的表面處理工藝。

目前，在PCB 行業(yè)，金線鍵合的表面處理方式主要包括電鍍鎳金和化學鎳/鈀/金。電鍍鎳金因金層較厚，導致成本提高，同時影響貼裝可焊性，使用范圍受限［5］；化學鎳/鈀/金工藝是在鎳缸和金缸間增加一個鈀缸，在鎳與金鍍層之間增加一層鈀。鈀層能夠有效防止鎳層腐蝕氧化，保護金層防止被鎳污染，使得較薄的金層就能具有良好的鍵合性能，并可大幅降低成本［6］。

1 PCB測試

1.1 試驗材料

本文研究所用PCB 具有鍵合連接盤設計，相關參數見表1。

1.2 試驗方法

制作測試板流程如圖1所示。

1.3 試驗表征

通過X 射線粉末衍射（x-ray diffraction，XRD）（Miniflex 600，Rigaku，日本）分析不同電鍍方式形成的銅面衍射峰強度，并計算織構系數分析晶面取向；通過三維光學輪廓儀（ContourX-200，Bruker，德國）測量金面粗糙度，即輪廓算數平均偏差Ra和輪廓平均高度Rz；通過水滴角測試儀（SDC-1000S，晟鼎，中國）測量金面水、二碘甲烷接觸角并計算表面能；通過引線鍵合機（HB16，TPT，德國）、焊接強度測試儀（DAGE4000 Plus，Nordson，英國）進行金線拉力測試，評價PCB鍵合性能。

2 結果與討論

2.1 基銅不同電鍍方式銅面晶面取向

XRD 是確定物質結構和種類的基本方法之一，通過XRD 可以獲悉材料的主要成分與內部形態(tài)結構。在Jade 軟件中，通過對不同電鍍方式銅面XRD 數據進行分析處理，其結果如圖2 所示。由圖2 可知，在其布拉格衍射角2θ為43.3°、50.5°和74.3°時，出現3 個主峰，分別對應于銅的（111）、（200）和（220）晶面。根據衍射峰高度可知，垂直連續(xù)電鍍與水平直流電鍍銅的（111）晶面峰強度高于（200）和（220）晶面，而水平脈沖電鍍（220）晶面峰強度最高。峰值越高，衍射峰強度越強，表面自由能越低［7-8］。因此，垂直連續(xù)電鍍與水平直流電鍍（111）晶面表面自由能更低，而水平脈沖電鍍表現為（220）晶面表面自由能最低。

圖2 不同電鍍方式基銅XRD

電沉積后銅內部晶粒不穩(wěn)定，會存在“自退火”過程［9］。銅的各個晶面還會繼續(xù)生長，導致晶面向某一方向擇優(yōu)取向，通過織構系數（terylene cotton，TC）能夠反映晶面的擇優(yōu)取向情況，織構系數表達式為

式中：I（hkl）、I0（hkl）分別為樣品銅和標準銅晶面衍射峰強度；n為圖譜中衍射峰的數量?？棙嬒禂抵翟酱螅瑒t表示其擇優(yōu)程度越高。

不同電鍍方式的基銅織構系數見表2。由表2可知：采用垂直連續(xù)電鍍時，基銅T（111）為50.23%，銅面朝（111）晶面高度擇優(yōu)取向；水平直流電鍍三者數值相接近，表明水平直流條件下，銅各晶面取向趨向接近，呈無序狀態(tài)；水平脈沖電鍍T（220）為55.70%，此時銅面朝（220）晶面高度擇優(yōu)取向。3種電鍍方式得到的銅面晶面取向不同，銅晶面取向間的差異在后續(xù)化學鎳鈀金工藝中，也將對金鍍層性能產生影響。

表2 不同電鍍方式基銅織構系數

2.2 基銅不同電鍍方式金面粗糙度

粗糙度能夠反映物體微觀表面平整度，粗糙度數值越小，其表面越光滑平整。

Ra又稱輪廓算數平均偏差，主要是指在一段取樣長度范圍內，輪廓上各個點與輪廓中線間距離絕對值的平均值，選取的測試點數量越多，得到的粗糙度數值越精確。Ra的計算公式為

式中：L為取樣長度；Hx為輪廓點與輪廓中線間的距離，該中線是輪廓的最小二乘中線。

粗糙度Rz為輪廓平均高度，主要是指在一段取樣長度范圍內，峰高高度與谷深深度的平均值之和。Rz的計算公式為

式中：Hhi為第i個峰高與輪廓中線的距離；Hli為第i個谷深與輪廓中線的距離［10］。

具有合適粗糙度的金面在鍵合拉力測試中能夠與金線更好地貼合，使鍵合性能更優(yōu)異。

基銅不同電鍍方式粗糙度測試結果如圖3 所示。不同電鍍方式間粗糙度數量關系為：垂直連續(xù)電鍍＜水平直流電鍍＜水平脈沖電鍍。粗糙度低時，峰高和谷深高度差較小，金面也較平整，鍵合拉力測試時金線與焊盤結合能夠越緊密，PCB鍵合性能也將更佳。

圖3 不同電鍍方式金面粗糙度箱線

2.3 基銅不同電鍍方式金面表面自由能

為進一步研究基銅不同電鍍方式對金面表面自由能的影響，通過水滴角測試儀測試水與二碘甲烷在金面的接觸角。當液滴與粗糙的表面接觸時，在固體表面能與空氣形成接觸，形成一種固-液-氣界面。Cassie-Baxter模型為

式中：θCA、cosθflat分別為液滴在實際固體表面與理想狀態(tài)下光滑表面的接觸角；fs為固體表面和液滴接觸的比例。

基銅不同電鍍方式金面水與二碘甲烷的接觸角如圖4 和圖5 所示。由圖4、圖5 可知，垂直連續(xù)電鍍水接觸角76.843°，低于水平直流電鍍和水平脈沖電鍍。結合表面粗糙度分析，垂直連續(xù)電鍍金面粗糙度更小，表面更平整，液滴與金面接觸的比例更大，fs的值越大，接觸角數值越小，說明固體表面跟液滴接觸的比例越高，表面潤濕性也越好。二碘甲烷接觸角規(guī)律與水接觸角一致。因此，基銅采用垂直連續(xù)電鍍得到的金面表面潤濕性能最佳。

圖4 不同電鍍方式水、金面接觸角

圖5 不同電鍍方式二碘甲烷、金面接觸角

液體在固體表面黏附，可定義黏附功為

式中：Wa為黏附功；γS為固體表面自由能；γL為液體表面自由能；γSL為固體與液體表面自由能。

Young氏方程為

式中：θCA為固體表面液體接觸角。

由式（5）和式（6）可得

同時，黏附功可用兩相中各自的極性分量和色散分量來表示，即

由表3 可知，接觸角數值越小，潤濕性能越優(yōu)，表面自由能越大。不同電鍍方式金表面參數見表4。由表4 可知，基銅電鍍?yōu)榇怪边B續(xù)電鍍的金面表面自由能為42.864 mN/m，得到的金面表面能最大，潤濕性能最優(yōu)。金面表面自由能越大，潤濕性能越優(yōu)，金線拉力測試時，由于金表面更優(yōu)的潤濕性，金線與連接盤結合能夠更緊密，PCB鍵合性能也將更佳。

表3 水、二碘甲烷表面參數

表4 不同電鍍方式金表面參數

2.4 基銅不同電鍍方式鍵合拉力

在PCB 中，引線鍵合技術主要體現在將PCB板面的芯片封裝（chip on board，COB）位置與芯片引腳通過打線相連接。其原理為，在外部施加一定的壓力或使用超聲頻率振動等方式，將PCB表面氧化膜去除，當金屬絲與PCB 表面對應焊盤接觸時能產生微觀焊點。隨著焊點面積增大，界面間存在的微小孔洞消失，在高溫條件下，內部金屬原子將發(fā)生相互擴散，形成宏觀焊點［11-12］。

設計打線拉力測試，每塊PCB 測試10 組數據，測試結果見表5 和圖6。由表5 和圖6 可知，基銅采用垂直連續(xù)電鍍時，打線拉力最大；當基銅電鍍方式轉變?yōu)樗街绷鲿r，拉力值下降；當基銅電鍍方式為水平脈沖時，拉力值小值。垂直連續(xù)電鍍整體數據集中度最高、平均值最高、鍵合性能最佳。

圖6 不同電鍍方式金線拉力測試

表5 不同電鍍方式金線拉力測試結果

3 結語

鍵合是芯片與封裝基板能否實現互聯的重要技術指標之一，其自身受基銅鍍層、金面表面清潔度、金面粗糙、鎳鈀金鍍層厚度度等因素影響。本文通過電鍍方式改變基層銅鍍層銅晶粒狀態(tài)，從而影響鎳/鈀/金工藝中金鍍層性能，進而影響鍵合性能?；~采用不同電鍍方式，會改變銅晶粒衍射峰強度和晶面擇優(yōu)取向。垂直連續(xù)電鍍銅面（111）衍射峰最強，自退火后銅面朝（111）晶面擇優(yōu)取向；水平直流電鍍銅晶面取向接近無序；水平脈沖銅面（220）衍射峰最強，銅面朝（220）晶面擇優(yōu)取向。（111）晶面擇優(yōu)取向的銅鍍層得到的金面粗糙度Ra為0.227 μm，Rz為2.046 μm，低于水平直流和水平脈沖?；~為垂直連續(xù)電鍍的金面表面自由能42.864 mN/m，高于水平直流和水平脈沖。在打線鍵合時，低粗糙度高表面能的金面能夠與金線貼合更緊密，焊接過程形成更牢固的焊點，得到的拉力數值更大，鍵合性能更優(yōu)。垂直連續(xù)電鍍金線拉力平均值達到9.17 g，分別比水平直流電鍍、水平脈沖電鍍提高12.8%和34.1%。