一起读一本好书
张璐菲、严俊政、刘丽香、王志兵、吴美丽、李毅
（贵州振华群英电器有限公司）
概括：
在微组装工艺应用领域，为保证裸芯片键合到印刷电路板后产品的可靠性，采用化学镀镍钯金工艺（）避免焊接时的“金脆”问题和金线键合时的“黑焊盘”问题。对化学镀镍钯金电路板金线键合（球焊）的可靠性进行了研究。从破坏性键合拉力试验、首次键合点剪切力试验、加热条件下的加速物质扩散试验、键合点切片分析、键合点内部元素扫描等多方面进行分析，将相关参数与常规镀镍金基板键合强度进行比较，最终确认长期可靠性满足产品生产要求。另外，对镍钯金电路板金线键合应用中需要注意的相关事项进行了总结和说明。
0 前言
随着微组装技术的发展，印刷电路板上除了常规的元件焊接外，为了满足产品高集成度、小型化的要求，还逐渐出现了裸芯片键合、焊接、键合等工艺。因此，印刷电路板焊盘的表面处理工艺也从最基本的“喷锡”发展到“镀金”、“沉金”，但与此同时，也带来了新的问题。在常规使用含锡焊料的焊接工艺中，当焊点中的金含量为3%~19%时，就会形成AuSn4合金，导致焊点变脆，带来质量风险，这种现象被称为“金脆”。为了避免这个问题，在可靠性要求高的焊接工艺中，要么不使用金焊盘，要么严格控制金焊盘的镀金层厚度。
标准DOD-STD-2000-1B规定，镀金连接器及元器件引线的焊接部位镀层厚度在1.27~2.54μm范围内时，应进行镀锡处理，以避免“金脆”问题[1]。在电路板焊接应用中，由于大多数元器件都是以贴片形式安装的，因此焊接部位的锡量相对较少。一般情况下应控制焊盘内镀金层厚度在0.3μm以下，即可有效避免“金脆”现象。
印刷电路板常规的镀金焊盘工艺为化学镀镍金工艺，即在电路板的铜焊盘基材上先镀镍再镀金。经过高温或长期存放后，镀层中的镍会渗透、扩散到金层中，形成“黑焊盘”[2]。常规印刷电路板在进行微组装时，元器件先焊接，再键合，焊接过程中的高温会造成“黑焊盘”问题，影响后续的键合工艺。为了避免“黑焊盘”问题的发生，一般都会增加键合区域焊盘的镀金层厚度，印刷电路板厂家一般建议该区域镀金层厚度在1μm以上。
1 化学镀镍金电路板溶液
1.1 选择性镀金工艺
为了使印刷电路板兼容焊接和键合工艺，电路板制造商开始应用选择性镀金工艺。
印刷电路板的焊盘依然采用化学沉镍金工艺（ENIG），为防止“黑焊盘”影响键合工艺，避免“金脆”现象，电路板中的焊接区和键合区采用选择性镀金，即镀金厚度不同，焊接区镀金厚度控制在0.3μm以下，键合区镀金厚度控制在1μm以上。
但选择性镀金工艺至少需要两次镀金，而且有些焊盘需要“保护”，大大增加了工艺流程，增加了电路板的生产成本。有些焊盘较多的电路板使用选择性镀金工艺后的价格可能是普通镀金工艺的几倍甚至几十倍。
1.2 添加“过渡件”流程
当某一型号的印刷电路板需求量很低时，考虑到生产成本，电路板焊盘就不会选择性地镀金，而是仍采用镀金焊盘，但镀金层厚度会控制在0.3μm以下。在印刷电路板上需要键合的焊盘处，会焊接或用导电胶键合上表面为纯金或厚镀金的“过渡片”，形成高可靠性的键合区，再将芯片键合到“过渡片”上，从而完成印刷电路板上的电气互连。
但如果“过渡片”采用金铜镶嵌材料，即焊接部分为铜，键合部分为金，成本也会很高。如果在铜表面镀金，还存在“金脆”的风险，唯一的办法就是采用导电胶键合工艺。这不仅增加了生产工序，而且导电胶键合在航空航天产品中的可靠性较差。
为解决上述问题，印刷电路板制造业开始开发和应用化学镀镍钯金工艺（）。该工艺在镍层和金层之间添加了一层薄钯（Pd）层，以防止镍层向金层扩散，从而避免了“黑焊盘”问题。采用该工艺制备的焊盘金层很薄，一般厚度小于0.3μm，避免了焊接过程中的“金脆”现象。同时，由于金层薄，镀金工艺简单，生产成本也大大降低。
近年来，化学镀镍钯金工艺在国内对可靠性要求较高的产品中应用越来越多，为了验证其键合应用的长期可靠性，进行了相关研究。
2 化学镀镍钯金焊盘的结合强度
2.1 材料与工艺解决方案
在化学镀镍钯金焊盘结合强度测试中，采用普通表面镀镍金基板作为对比，如图1所示。
两种材料的详细信息如表1所示。
两块基板均采用某型号设备进行全自动键合，在基板表面采用相同的键合工艺键合50条直径为25μm的金线，保证键合线的长度、曲率及键合参数相同，详细键合参数如表2所示。
2.2 破坏性粘结拉伸试验
键合完成后，所有键合线均进行破坏性拉力测试，拉力测试位置均在弧高最高处，如图2所示。
金线键合到镍钯金基板后测试，平均破坏性拉力为10.6 cN，数据分布如图3所示。金线键合到镍金基板后测试，平均破坏性拉力为10.3 cN，数据分布如图4所示。测试过程中无键合点脱落。通过破坏性拉力测试数据对比，两种基板无明显差异。
2.3 粘结点剪切力测试
键合点剪切力测试是对金线键合的第一个键合点进行破坏性的剪切力测试，以更直观的检测出第一个键合点的键合强度。
经测试，镍钯金基板的第一次键合点平均剪切力测试为58.8 cN，数据分布如图5所示。镍金基板的第一次键合点平均剪切力测试为64.6 cN，数据分布如图6所示。从破坏性键合点剪切力测试数据可以看出，在相同的键合参数下，镍钯金基板的第一次键合点强度高于镍钯金基板。
2.4 键合点剪切力测试后金残留量
经过破坏性键合点剪切力测试后，键合点处的金残留量也可作为判断键合强度是否可靠的依据。镍钯金基板经过键合点剪切力测试后，键合点处的金残留量明显少于镍金基板，如图7所示。
3 化学镀镍钯金焊盘的键合可靠性
经过拉力及键合点剪切力测试分析，产品基本能满足使用要求，但键合点剪切力测试后的金残留量与常规镍金基板存在差异，因此继续进行相关可靠性研究。
3.1试验条件（烘烤温度300℃，烘烤时间1h）
在金线键合技术的应用过程中，为了验证键合材料与基底金属之间的扩散效果，常采用300℃温度下烘烤1小时的测试方法来加速材料之间的扩散，进一步验证长期应用的可靠性。
本次对键合后的镍钯金电路板进行300℃烘烤1h，烘烤后对第一个键合点进行破坏性剪切力测试，键合点未发生脱落，平均剪切力测试值为72.1cN，较烘烤前有明显提升，数据分布如图8所示。另外，第一个键合点剪切力测试后，金残留量逐渐增多，如图9所示。
为了验证键合强度的增强是否是由键合点与材料之间的扩散引起的，对键合点进行了切片分析，证实了焊盘镀层中的镍元素（Ni）确实扩散到了键合点中，如图10和图11所示。
3.2 试验条件（烘烤温度300℃，烘烤时间8h）
为验证扩散是否继续，对样品再次进行测试，在300 ℃下烘烤8 h。烘烤后，电路基板部分变形，但镀铜镍钯金焊盘部分保留。再次进行第一个键合点的剪切力测试。大多数键合点无法移除，键合点仅在颈缩点处断裂。因此，第一个键合点的剪切力测试数据无意义，如图12所示。
将键合点切片再次分析，Ni元素扩散至更深处，同时焊盘底层的Cu元素也开始扩散，如图13所示。
3.3 总结
通过以上验证可见，镍钯金基板在长期应用过程中，Ni元素仍然存在扩散问题，但在生产过程中，镀层中的Pd组分可以在短时间内有效阻止Ni元素的扩散，从而保证焊接后连接工艺的稳定性。
经300℃/8h烘烤后测得Ni元素的扩散距离大于10μm（如图14所示），因此本次试验也证实了常规Ni-Au基板镀金层厚度大于1μm仍无法阻止Ni元素的长期扩散。
常规镍金基板在微组装领域已应用多年，并无任何可靠性风险，因此可以推断镍钯金基板的镍层扩散问题不会影响长期应用可靠性，而且扩散后结合强度增加，亦无多层金属分离问题，证明其长期应用可靠性可满足高可靠产品的要求。
4. 产品使用注意事项
4.1 避免表面划伤
镍钯金焊盘在使用过程中，由于表面的金、钯层相对较薄，应注意避免划伤表面，否则容易损坏金、钯镀层，导致结合强度异常。
4.2 避免污染
如果键合基板污染程度较轻，可以采用等离子清洗工艺去除表面污染，这一方法同样适用于镍钯金基板。但如果污染较为严重，可以对常规镍金基板表面进行抛光处理，去除顽固污物，但镍钯金焊盘的抛光方法控制难度较大，无法保证镀层不被破坏。
4.3 保证表面粗糙度
该问题主要困扰着印刷电路板生产厂家，因为镀金层比较薄，实际键合过程中，表面金层的变形很小，因此相对于镀金较厚的镍金基板，镍钯金基板对表面粗糙度的要求更高，文献显示表面粗糙度至少要在Ra 0.6以下[3]。
5 结论
通过以上验证可以看出，采用化学镍钯金电镀工艺的印刷电路板焊盘能够满足金线键合的可靠性要求。但在实际生产中，相较于镍金基板，镍钯金基板的应用需要更好地控制其他生产工序，避免对金、钯层造成损伤。
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