基于有機基板的化學鎳鈀浸金工藝應用與測評

劉彬燦，李軼楠

（1.深圳市化訊半導體材料有限公司，廣東深圳 518000；2.無錫中微高科電子有限公司，江蘇無錫 214035）

0 引言

在電子封裝行業，有機封裝基板主要起到承載芯片、為芯片提供電氣連接及散熱等作用，其應用比較廣泛。近年來，許多研究者對基于有機基板的化學鎳鈀浸金工藝進行研究，研究內容主要聚焦于工藝參數對鍍層性能的影響，工藝參數主要包括溫度、pH 值、電流密度等。此外，研究者還探討了有機基板材料的特點及其對鍍層性能的影響[1-4]，這些研究為本文提供了理論依據和參考。封裝基板的表面處理工藝種類繁多，主要包括浸錫、浸銀、有機可焊性保護劑工藝、電鍍鎳金、化學鍍鎳浸金等。由于電子封裝產品對回流次數、存儲時間和電氣互連性能的要求越來越高，優化表面處理工藝以滿足電子產品對高質量、低成本封裝的要求成為當前研究的重點。

化學鎳鈀浸金工藝具有高可靠、低成本的特點，在硬質電路板、有機基板和金屬基板的制造過程中被廣泛應用?；瘜W鎳鈀浸金工藝在封裝領域具有顯著優勢，該工藝可以優化金絲球焊作業性能，提高了焊點可靠性并增強了產品對多次回流焊的耐受能力。采用該工藝的電子產品貯存時間長，可以很好地滿足環氧塑封工藝和焊接工藝的要求[5]，因此化學鎳鈀浸金工藝被稱為最理想的表面處理技術之一。該工藝是在化學鎳金工藝基礎上發展而來的，化學鎳金工藝是在銅的表面化鍍上導電性能優良的鎳和金，通過涂層使產品獲得較長時間的保護?；瘜W鎳鈀浸金工藝利用化鍍鎳、化鍍鈀及化學浸金的方式對銅表面進行處理，在鎳鍍層和金鍍層之間增加了1 層鈀鍍層作為阻擋層。該阻擋層減少了鎳金原子之間的相互擴散，能夠避免鎳鍍層在發生取代反應時被腐蝕，可以有效避免在化學浸金過程中因焊盤黑化而導致的焊盤失效[6]。

由于化學鎳鈀浸金工藝流程較長，整個工藝過程中涉及到多種藥水，且藥水處于持續變化狀態，藥水的變化導致工藝參數、藥水溫度、藥水pH 值、藥水濃度之間存在交互影響，因此，在實際加工過程中，對化學鎳鈀浸金鍍層質量的控制比較困難。本文通過理論分析和實驗研究相結合的方法研究化學鎳鈀浸金工藝過程，針對鍍層致密性和耐腐蝕性提出性能測評方法，為基于有機基板的化學鎳鈀浸金工藝應用提供了優化方案，不僅有助于降低生產成本，同時豐富了化學鎳鈀浸金工藝的研究內容，為推動相關產業的發展提供有力支持。

1 化學鎳鈀浸金工藝及失效情況

1.1 化學鎳鈀浸金工藝原理

采用化學鎳金工藝可在基板上形成3 層金屬結構，3 層結構分別為銅層、鎳鍍層、金鍍層?；瘜W鎳鈀浸金工藝主要是在化學鎳金工藝的基礎上增加化鍍鈀處理環節，從而形成了銅層、鎳鍍層、鈀鍍層、金鍍層4層金屬結構，即在鎳鍍層和金鍍層之間增加了1 層鈀鍍層。鈀鍍層能夠阻擋鎳原子向金鍍層擴散，從而起到抑制鎳腐蝕的作用。相比金鍍層，鈀鍍層的結構更加致密，其具有抗氧化和抗腐蝕的作用，提高了鍍層的化學穩定性。在化學鎳鈀浸金工藝中，鈀鍍層的形成主要通過氧化還原反應實現，其反應方程式為

通過置換反應能夠將鈀金屬和鎳離子置換出來，其反應方程式為

當鈀鍍層較厚時，致密的鈀鍍層會阻礙金與鎳的置換，金主要與鈀進行置換，導致金在沉積過程中分布不均勻，金鍍層的外觀存在色差。當鈀鍍層較薄時，液態金通過鈀鍍層的晶格間隙與鎳鍍層接觸，金會同時和鈀、鎳發生置換，鈀鍍層和鎳鍍層之間會出現剝離現象。

1.2 化學鎳鈀浸金工藝過程

化學鎳鈀浸金工藝是一種非選擇性的表面加工工藝，其工藝流程包括：1）酸洗；2）對基板進行化學除油和電解除油，再進行熱水洗和雙水洗；3）預浸和活化；4）沉鎳、沉鈀、沉金，每一次沉積后都要進行雙水洗，將經過金屬沉積和水洗的基板取出并干燥。

由于不同廠商使用的藥水特性不同，氣體流量不同，其具體的工藝過程也有所不同。有些制造商會引入微蝕刻技術以提高透明度和洗滌效果，在酸洗后加入化學鈀溶液，以避免因鎳泄漏而導致的半塞孔內的液體殘留，從而大大提升了清洗效率。為了提升鍍層的均勻性，有些生產廠家在化學浸金工藝中采用化學薄金工藝，即使用金來代替鎳。有些廠家則選擇化學厚金工藝，即在薄金鍍層的基礎上利用堿還原技術增加金的厚度，化學薄金和化學厚金工藝均可以增加鍍層的均一性。因此，在選擇藥水的過程中，要同時兼顧工藝配套性與藥水穩定性。

1.3 焊盤黑化異常

化學鎳鈀浸金工藝中涉及眾多工藝參數，如藥液濃度、藥液溫度等參數，且參數之間存在交互關系。因此，化學鎳鈀浸金工藝的良率控制難度較大，該環節也是失效現象高發的關鍵環節?；瘜W鎳鈀浸金工藝的典型失效情況如表1 所示，圖1 為有、無鎳腐蝕現象的鎳鍍層表面掃描電子顯微鏡（SEM）圖。

圖1 有、無鎳腐蝕現象的鎳鍍層表面掃描電子顯微鏡（SEM）照片[9]

表1 化學鎳鈀浸金工藝的典型失效情況

無鎳腐蝕現象的鎳鍍層表面如圖1（a）所示，鎳鍍層邊緣清晰完整，晶格界限清晰可見。有鎳腐蝕現象的鎳鍍層表面如圖1（b）所示，晶格界限變得粗糙。鎳腐蝕將嚴重影響后續芯片鍵合、倒裝等工序的良率及可靠性，因此應防止焊盤黑化的發生。

采用化學鎳鈀浸金工藝可以在鎳鍍層表面形成致密的鈀鍍層，其對鎳鍍層具有保護作用，進而避免產生“黑鎳”，能夠大幅減少焊盤黑化的發生。金屬鈀具有較高的熔點，在高溫焊接時鈀在焊料中的擴散速率比金在焊料中的擴散速率慢，鈀在焊料中形成的屏障效應可實現對鎳鍍層的有效保護。此外，鈀的硬度較高，不僅可以提高焊接可靠性，還可以提高金屬層的整體耐磨性能[10]。在焊接過程中形成了錫-鈀合金，該合金具有較強的抗腐蝕能力，可以提高產品的使用壽命。金屬鈀在保護鎳鍍層的同時可以作為金的替代品使用，以減少金的使用量，在相同鍍層厚度的條件下，使用鈀代替金大約可以節省60%的成本[11]。

2 化學鎳鈀浸金鍍層質量

由于化學鎳鈀浸金工藝復雜性和多變性，其在封裝過程中容易引發異常，因此需要對化學鎳鈀浸金鍍層質量進行控制才能達到理想的工藝效果。通過對化學鎳鈀浸金工藝的研究并參考相關文獻，總結出化學鎳鈀浸金鍍層質量優良的評價標準，如表2 所示。

表2 化學鎳鈀浸金鍍層質量優良的評價標準

2.1 化學鎳鈀浸金工藝參數的影響

由于工藝參數的控制差異或穩定性問題，產品的質量和可靠性極易受到影響。不同廠家在工藝過程中使用的電鍍藥水、監控方法及參數控制水平均不相同。采用SEM 測量不同廠家樣品的化學鎳鈀浸金鍍層厚度。a 樣品為國內某化學鎳鈀浸金廠家的產品，b樣品為國外某化學鎳鈀浸金廠家的產品，c 樣品為深圳市化訊半導體材料有限公司的產品，不同廠家樣品的化學鎳鈀浸金鍍層厚度如表3 所示。

表3 不同廠家樣品的化學鎳鈀浸金鍍層厚度

由表3 可知，不同廠家樣品的化學鎳鈀浸金鍍層厚度存在差異。然而，只要鍍層中的晶粒完整性得以保持，晶粒間晶界的氧化物等生成物符合規定要求，這些差異通常不會對產品的整體性能產生顯著影響。圖2 為不同廠家樣品的化學鎳鈀浸金鍍層的SEM圖。

圖2 不同廠家的化學鎳鈀浸金樣品鍍層的SEM 圖

由圖2 可知，a 樣品的鍍層出現了脆性斷裂，b 和c 樣品的鍍層均勻、致密且平整，這說明在化學鎳鈀浸金工藝中，對藥水和鍍層的監控至關重要，只有均勻、致密的鍍層才可以有效避免鎳腐蝕等問題的產生。

2.2 采用X-Ray 測量鍍層厚度

使用X-Ray 對c 廠家產品的化學鎳鈀浸金鍍層的不同區域進行測量，選擇3 個樣品分別進行測量，在同一樣品的鍍層上選擇3 個不同的位置分別進行測量，鎳鈀浸金鍍層不同位置的厚度如表4 所示。表4 和表3 的數據差異揭示了不同測量手段在評估鍍層特性時可能產生的不一致性。因此在實際生產過程中可利用X-Ray 和SEM 測量相結合的方式對生產工藝穩定性進行監控。

表4 c 廠家產品化學鎳鈀浸金鍍層不同位置的厚度

鈀鍍層的厚度既不能太厚也不能太薄。鈀鍍層太薄無法起到抗氧化和抗腐蝕的效果，鈀鍍層太厚又會增加貴金屬的加工成本。根據業內工程經驗，將鈀鍍層厚度控制為0.05～0.15 μm，將金鍍層厚度控制為0.025～0.050 μm 較為合適。選擇較薄的金鍍層不僅可以降低成本，還可以使產品價格更具市場競爭力。

2.3 化學鎳鈀浸金鍍層切片分析

對c 廠家不同批次產品的化學鎳鈀浸金鍍層做切片分析，觀察鍍層的鎳腐蝕情況。c 廠家不同批次化學鎳鈀浸金鍍層的切片分析如圖3 所示。由圖3 可知，c廠家的化學鎳鈀浸金鍍層未出現鎳腐蝕的情況，也沒有明顯的滲透腐蝕痕跡，鍍層厚度分布均勻，這說明在鎳鍍層和金鍍層之間的鈀鍍層結構致密，能有效防止金鍍層對鎳鍍層的腐蝕。

圖3 c 廠家不同批次產品化學鎳鈀浸金鍍層的切片分析

2.4 化學鎳鈀浸金鍍層褪金處理

使用褪金水對3 家廠商產品的化學鎳鈀浸金鍍層進行褪金處理，觀察鈀鍍層表面的致密性。不同廠家產品的化學鎳鈀浸金鍍層經過褪金處理后的表面形貌如圖4 所示。a 廠家產品的鈀鍍層表面呈銀灰色，其表面花紋不完整，表面存在滲透腐蝕痕跡。b 廠家和c廠家產品在生產過程中采取了嚴格的工藝控制措施，其化學鎳鈀浸金鍍層的鈀鍍層表面呈銀白色，其結晶完整、均勻且致密，具有該外觀特征的鈀鍍層能夠起到良好的阻擋作用。

圖4 不同廠家產品的化學鎳鈀浸金鍍層經過褪金處理后的表面形貌

由圖4 可知，a 廠家產品的化學鎳鈀浸金鍍層經過褪金處理后發生了鎳腐蝕，而b、c 廠家產品的化學鎳鈀浸金鍍層經過褪金處理后沒有發生鎳腐蝕。因此，結晶完整、均勻且致密的化學鎳鈀浸金鍍層可以有效防止焊盤黑化的發生，進而避免由此引起的連接失效等可靠性問題。

3 結論

在前人研究的基礎上，本文探討了基于有機基板的化學鎳鈀浸金工藝的應用與測評，深入研究了化學鎳鈀浸金工藝在有機基板上的適用性，通過各項性能測試提供了更為全面的實驗數據，評估了化學鎳鈀浸金工藝的性能，為實際應用提供了參考。

采用化學鎳鈀浸金工藝的有機基板的長期穩定性尚不明確，需要通過更長期的實驗來觀察其穩定性，其適用性可能受到基板材料、厚度和表面處理方式等因素的影響，需要進一步進行定量分析研究。為了解決上述問題，可以采取以下基本思路：延長實驗時間以觀察采用化學鎳鈀浸金工藝的有機基板的長期穩定性，從而更準確地評估其在實際應用中的可靠性；研究不同基板材料、厚度和表面處理方式對化學鎳鈀浸金工藝適用性的影響，以優化工藝參數，擴大其應用范圍。

若采用化學鎳鈀浸金工藝的有機基板長期穩定性良好，則有望被廣泛應用于塑封電子產品。通過優化工藝參數，提高其工藝適用性，將進一步拓展其應用范圍，促進塑封電子產業的發展。針對不同有機基板材料、厚度和表面處理方式的研究，將有助于揭示化學鎳鈀浸金工藝的適用性規律，為實際應用提供理論指導。