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您的位置：一、前言
近年來，隨著半導體輸入端子數量的增加，基板向側面端子的多腿化及信號線間距微細化的發展。多腿化的趨勢使QFP(Quad Flat Package)構造盤間的節距狹小化制造的難度增加，特別是面陣列端子（面端子）化的需要，BGA(Ball Grid Array)構造的超小型化封裝的開發。超小型化封裝端子的表面處理的外部引出線需要增加適合的化學鍍金/化學鍍鎳。化學鍍金或電鍍金的工藝方法比較而言，對于獨立的電路圖形上表面處理是適用的，鍍層的厚度可以根據需要增加，這一點是非常有利的。
通常銅導體圖形是采用以次亞磷酸鹽作還原劑化學鍍鎳，而銅與次亞磷酸氧化反應是沒有催化活化行為的，這就需要采用鈀作為催化劑。該工藝方法就是將基板浸入稀的鈀溶液，當銅導體圖形上浸有催化劑鈀后，就可以實施化學鍍鎳的工藝程序。但是，對于超高密度配線的基板該工藝方法是否適用，還要看對鈀催化劑的選擇，因為當基板浸入催化溶液時，導體圖形間的樹脂上也會同時吸附，化學鍍鎳過程中會沉積在圖形間的樹脂上面，這樣一來就會產生質量問題。
這就需要解決選擇性析出的技術問題，銅導體經過催化活化，采用還原劑為DMAB(二甲胺化硼)和稀的化學鍍鎳溶液，確認其選擇性沉積是有效的。
另外，經過化學鍍鎳＋金的電鍍處理的基板，與電鍍法鍍出的鍍層相比，其焊接強度就比較低。其主要原因是由鎳粒子粒界被腐蝕變態，鎳層中的富磷層形成以及錫-鎳-磷合金層的形成。現在的問題是對鎳層中含磷量的含有率控制，使過程中不會產生局部腐蝕，具有適用性的工藝對策是有效的。
研究表明，化學鍍鎳層表面形態即析出形態，是受催化活化處理的影響而變化，因此也就會直接影響焊料的焊接強度。所以，提出使用鈀催化活化而不選擇鎳的析出程序的有效性。
二、實驗方法
2.1 鍍覆處理工藝條件
首先是對基板選擇性析出的評價，覆銅箔層壓板上的表面試驗圖形形成。試驗用的PGA(Pin Grid Array)基板(板厚度為0.4mm、導線寬度為100μm、線間距為100μm、導體厚度為9μm)。根據基板表面狀態，進行前處理，在65℃堿液中處理1分鐘，在室溫條件下進行酸活化1分鐘。然后采用兩種工藝處理方法進行化學鍍鎳。一種工藝方法，銅導體經催化處理后上面附有催化物鈀，再進行化學鍍鎳，這是原來的工藝方法(工藝過程中含有催化活化一步)；另一種工藝方法，所使用的鈀催化活化處理液中含有氯化鈀(0.05g/dm2)和少量絡合劑，溫度為25℃，處理1分鐘然后實施化學鍍鎳。此鍍液采用DMAB為還原劑和稀的化學鍍鎳溶液，于是鎳沉積在銅導體圖形上形成均勻的鎳層。這是靠自身的催化活化作用沉積鎳。此種工藝方法后來稱之直接化學鍍鎳。鎳沉積用的鍍液為含有六個水的硫酸鎳(0.9g/dm2)，DMAB(3.0g/dm2)和少量的添加劑，溫度為45℃、實施1分鐘的處理。在這個工藝中，化學鍍鎳層的厚度約5μm。化學鍍鎳液的組成和操作條件見表1所示。化學鍍鎳溶液中，使用次亞磷酸鈉為還原劑，用硫酸和氨水調節鍍液的pH值到5.5。
通過上述試驗，將鍍鎳后的基板，用放大鏡來觀察基板上銅導體圖形間樹脂上的析出情況。
2.2 焊料球焊接強度測定
焊料球焊接強度的試驗基板，基板厚為0.6mm在樹脂層上焊盤直徑為0.65mm，節距為1.27mm。基板表面焊盤的處理工藝化學鍍鎳條件與上述2.1規定的工藝條件相同，然后再在氰酸系化學鍍金溶液中鍍金厚度為0.05μm。化學鍍金溶液氰化金(1)鉀、檸檬酸鉀和EDTA鋼，pH值6.0、鍍液溫度為85℃工藝條件下，鍍5分鐘。
焊接強度的測定是采用焊料球焊接強度進行拉脫強度試驗和部分焊料球焊接剪切強度試驗并行進行強度測定。焊盤的直徑0.76mm，焊料球成分(Sn63%、Pb37%)RMA(RosinMildActivated)，使用助熔劑對焊接處進行活化處理以提高焊接可靠性，焊料球焊接的工藝條件是預熱溫度150℃，加熱溫度230℃。此后，測定裝置用萬能型熔合線測試儀5000，焊料球焊接拉伸試驗的試驗速度300μm/s、焊料球焊接的剪切試驗其試驗速度為200μm/s來測定。
2.3鍍層的表面狀態觀察
觀察基板表面鍍層的形態，用的是PGA基板和經過蒸發形成的0.5μm厚的銅膜的基板。從PGA基板表面所觀察到的呈現出凹凸不平，微小的表面形態和所觀察到的膜片基板表面是不同的。試驗基板與2.1試驗條件采用的是同樣的，進行化學鍍鎳，并使用試驗樣品進行觀察。鍍層的表面狀態采用掃描電子顯微鏡(SEM)和原子結構顯微鏡(AFM)進行觀察。另外，鍍層組成分析采用俄歇電子分光法(AES)。
2.4浸漬電位的測定
基板在鍍液中浸漬期間電位會發生變化，需要進行電位測定。作用極的銅板電極，參照電極用銀-氯化銀電極。用作作用極的試驗板同樣要經過堿清潔處理、酸性活化，催化液處理和含有DMAB作為還原劑的稀的化學鍍鎳液內進行化學鍍鎳。此后，作用極在化學鍍鎳溶液內浸漬，隨著浸漬時間的變化，對其處的電位進行測定。測定裝置用電氣化學測定裝置HZ3000(日本北斗電工株式會社制造)。
三、結果和觀察
3.1選擇性析出的比較
對PGA基板上的圖形經過催化程序后的化學鍍鎳，化學鍍鎳完成后對其表面進行觀察。
使用鈀催化液工藝方法條件下，觀察配線間的環氧樹脂上鎳沉積析出的情況。直接電鍍工藝方法適用的情況下，觀察圖形間鎳析出的的情況。同時，化學鍍鎳處理過程中膜層形成的狀態變化被確認。各個工藝程序中化學鍍鎳前表面狀態(電鍍時間為零)和0.5、1.0、5.0、30.0分鐘化學鍍鎳后，端子的側面擴大SEM照片如圖1所示。鈀作為催化劑工藝程序，鍍覆時間5分鐘以上的情況，圖形間樹脂上鎳的析出觀察并確認。這是由于銅圖形間的環氧樹脂吸附著鈀核，于是與化學鍍鎳液起反應而引起的。
另一方面，采用直接鍍覆工藝方法，觀察銅圖形間的析出。直接鍍覆工藝方法，采用的是DMAB進行氧化還原反應。它是在鎳核上的形成，而不是在銅上進行，還要考慮鎳核在樹脂上的存在。后續化學鍍鎳工序，使銅圖形上選擇性成膜層，樹脂上的析出的發生也應該考慮到。所以，直接電鍍工藝方法，對于狹窄節距、配線的圖形的適用有效性需要進一步來確認。
3.2焊接強度的比較
評價基板表面盤的焊接強度，根據2種類型化學鍍鎳溶液，鍍覆厚度約5μm，然后再在上面化學置換鍍金，金層厚度為0.05μm。此后，將焊料球焊接在基板表面的盤上，再進行拉脫強度和剪切強度試驗測定。
兩種強度測試結果見圖2所示。其中焊料球的剪切強度試驗的結果其平均值強度要差一些。但是，經過熱處理后焊料球的拉伸強度試驗數據證明，直接鍍覆工藝方法適用于焊接的拉脫強度，此時的用的鈀催化液濃度約高13%。
從以上結果，證明采用直接電鍍工藝方法情況下，焊料與基板上盤的焊接強度良好，焊接封裝部分的表面處理方法是有效的。
3.3 化學鍍鎳層的狀態
上述采用了不同的工藝方法，焊接強度測定結果也不相同。而焊接強度發生差別的要因應仔細研究。
鍍后的評價基板表面金層被溶解，化學鍍鎳層露出，其表面形態用SEM進行觀察。觀察的結果見圖3所示。在采用鈀作為催化劑時，化學鍍鎳層在盤直徑上沉積厚度約4-5μm的類似球狀析出，見圖3-a所示。采用直接鍍覆工藝方法適用的情況下，直徑為2μm程度的均勻的微小的類似球狀構成的鍍層表面形態
置換金的處理，鎳會在處理過程中產生溶解，以使金沉積析出，而鎳層的表層溶出的磷不會很多，還有殘存物，因此，在焊料焊接時焊接強度差是由于金層與鎳層界面附近的狀態有關系，通過AES分析是鎳金層在深的方向觀察到的情況。
金鍍層和鎳層界面附近(焊接時間約5分鐘)鍍層深度方向氧的檢出峰值比較。使用鈀作催化劑的工藝方法所獲得的鍍層檢出的氧較多，而采用直接鍍覆的工藝方法鎳的氧化反應就可以。還有，僅在金鎳層界面部分會產生富磷層。所以，適用于鈀作催化劑的工藝方法情況下，金鍍層中的過剩鎳的溶解是由鎳表層產生氧化反應，局部腐蝕鎳的表面同時也就能判斷金表鎳表面的析出。
其次，鍍覆工藝方法的不同，化學鍍鎳的鍍層的形態也會受到影響，鍍覆初期階段表面形態經過AFM的比較和觀察，就能判斷表面形態是不同的，試驗基板的銅是0.5μm，是使用蒸發的方法在晶片基板上形成的。然后進行化學鍍鎳，鍍鎳前、3秒后和5秒后的鍍層的表面形態，使用觀察3μm×3μm范圍內的結果
。
使用鈀作為催化劑的工藝條件下，催化處理后表面狀態，觀察直徑為50-100nm表面突起的比較多，而這些凸起的鎳鍍層會繼續成長，表面的粗糙度增加，并且觀察到未處理的部分基板平均表面粗糙度Ra=2.58nm與鍍5秒后的鍍層表面粗糙度比Ra=7.16nm而增加。而采用直接化學鍍鎳的工藝方法而產生的突起鍍5秒后其Ra=3.26nm。所以采取直接鍍覆的工藝方法，鍍覆的初期鎳層形成薄而均勻的表面。
在采用鈀作催化劑的工藝方法的條件下，表面吸附著的鈀核形成中心，鎳繼續析出，鎳層的表面粗糙度增加。而采用直接化學鍍的工藝方法的條件下，以DMAB的還原作用使鎳均勻的在銅導體表面析出，化學鍍鎳過程中的集中化學反應形成平滑而均勻的鎳層。
適用于以鈀作催化劑的情況下，化學鍍鎳的初期析出的表面就比較粗糙，最終鍍鎳層表面形成類似球狀的情況比較多。化學鍍鎳的過程中，這些類似球狀的粒界面進行鎳的氧化反應，過剩的鎳就會溶解和腐蝕。由于鎳層表面的腐蝕進行，焊料焊接性能惡化，焊接的接合強度降低。而對于直接采用直接化學鍍工藝方法，形成致密而平滑的鎳層，而過剩的鎳粒界面的腐蝕受到抑制，因此其焊料焊接的接合強度增加。
3.4浸漬電位的變化
用鈀作催化劑的工藝方法和直接化學鍍工藝方法在初期階段鎳的析出狀態是不同的。化學鍍的初期階段，電極表面電位的發生是不相同的。銅板經過兩種工藝方法處理后，在化學鍍鎳溶液中浸漬，浸漬時間內對電位進行測定。
對于使用鈀作催化劑的情況下，其電位會徐徐降低，由于電位的變化引起鎳的析出。這是由于電極的表面有鈀核，在周邊的鎳會開始優先析出，由于反應急劇鎳不斷析出覆蓋全部。
直接化學鍍的情況下，鎳核的析出，浸漬初期的電位要比用鈀催化劑要平穩的多。而且鎳的析出電位相差的少，析出的鎳層表面平滑。
由于浸漬電位的變化，鎳的初期析出狀態是不同的，通過試驗進一步確定之。
四、結論
通過試驗焊料焊接用的基板對采用直接化學鍍工藝方法的有效性并獲得以下結果：
①采用DMAB作為直接化學鍍鎳液的還原劑，配線間樹脂層上析出受到抑制，因此微細配線基板進行選擇性析出性能良好。
②直接化學鍍工藝方法與用鈀作催化處理的工藝方法形成的鍍層的基板相比較，焊料焊接強度獲得改善。
③用鈀作為催化劑情況下，鈀形成的催化中心的析出其結晶成長的不均一而形成比較多的類似球狀的結構鍍層。而采用直接化學鍍工藝方法的情況下，銅導體表面形成均勻的薄鎳層，所形成的鍍層表面平滑。因此兩種工藝方法初期析出狀態的不同，而直接影響焊料焊接性能，實際選擇時需要仔細考慮。
