适用于IC封装的表面涂覆层——化学镀镍、钯、金的未来

林金堵

CPCA顾问 本刊主编

吴梅珠

（江南计算技术研究所，江苏 无锡 214083）

便携电子产品的迅速增长，如手机（Call Phones）、个人数字辅助工具、摄录机等等，要求和推动这些电子产品走向更小、更快、更轻和更多功能化方向发展。尽管这些电子产品增加了不少功能特性，但是没有改变、甚至还减少了它们的尺寸。在IC的封装上，为了满足技术和市场的需求，采用系统封装迅速增加了。系统封装（SIP，System in Package）的特点是具有多个不同功能的有源元件的任何组合、加上合适的无源元件和其它装置像微机电系统（MEMS，Microelectromechanical System）或光元（组）件等组合形成更可取的统一标准（Single Standard）的封装，它提供具有系统或子系统的综合多功能的特点[1]（参见图1）。

图1 安装有裸芯片（die）和无源元件的PBGA基板的SIP剖视图

系统封装SIP（有的文章称谓SOP，System on Package）往往要求在封装基板上同时既有适用于倒芯片（FC）的金属丝键合（搭接，Wire Bonding），又有表面安装（SMT）的加工工艺，因而将影响到IC封装基板的变化与效果，这就需要为不同种类组装元件采用不同组装技术提供一个合适的平台。而且随着SIP的封装密度的不断提高，采用金属丝键合（WB，Wire Bonding）技术的机率将越来越多，因此，可用于金属丝键合的表面镀覆的IC封装基板也会越来越多，这就是说，采用化学镀或电镀的镍/金或镍/钯/金技术、特别是化学镀镍/钯/金更具有优越性。

1 镍-钯-金表面涂覆的应用

钯镀覆层（膜）是具有好的金丝键合（Gold Wire Bonding）和可焊性的。它用于或提供给IC引线框架（IC Lead Frames）也有好多年了[2][3]。钯和金的典型厚度分别为0.1 mm ～ 0.15 mm和0.005 mm。IC引线框架采用钯镀层的首要目的是减少组装、封装时间，因为可省略去多重（次）镀覆工艺过程，如外部引脚（Outer Lead）需要涂（镀）覆焊料（即热风整平或浸涂），而在封装工艺的键合区域（Bonding Area）则不要求镀银。现在，还要考虑到满足RoHS管理（指令）要求的无铅的镀覆层（耐高温抗氧化等）才行。

用于IC封装的PCB基板——特别是SiP的基板产品，采用化学镀镍、化学镀钯和浸金（ENEPIG）工艺是很合适的选择。正如电解（镀）的镍、钯和浸金的镀层一样，ENEPIG层也是在焊接和金属丝键合等两方面都是很好的涂覆层。在化学镀镍上再化学镀钯0.2 mm和浸金0.03 mm就可提供好的金属丝键合（Wire Bonding）和焊接的能力。与电解工艺所不同的是，ENEPIG工艺不能适合于汇流条连接（Bussing Lines）的要求[1]，因为汇流条应为电路设计提供额外的机动性（Extra Flexibility）和具有先进电路产品与特性需求的高密度设计的能力（图2）。

不像化学镀镍浸金那样，化学镀镍、化学镀钯和浸金不会发生“黑盘”（Black Pad，实际上表现为黑斑为多）问题，因为在化学镀镍上化学镀钯的反应是采用化学还原而不是置换反应（即在化学镀镍上采用化学浸钯不是化学镀钯），所以，在这里对化学镍层不会发生腐蚀（Attack）作用。

采用俄歇分析（Auger Annlysis）表明，镍层和钯层之间存在着富磷层（Rich Phosphorus Layer），而钯层和金层之间不存在着富磷层问题。这表明镍镀层在镀钯后，为什么镀镍层不会发生被“腐蚀”现象、也不会在镀钯（或浸钯）再浸金后的发生额外腐蚀问题。因为，这是化学镀钯的低磷含量（～3%）和低厚度的浸金而造成的。

采用扫描电子显微镜（SEM，Scanning Electron Microscope），如图3所示，它清楚表明，在化学镀镍表面和晶界上所观察到的情况也不存在着过多的腐蚀现象。从功能上看，ENEPIG所具有的可焊性和可键合性是类似与ENIG的。图3分别表示在化学镀镍、钯和金后，在剥离金前（图3左）后（图3右）的SEM分析图。

从成本的角度上看，钯的价格是金价格的一半，同时，钯的密度是金密度的1/2，金层厚度可更薄，因此，采用ENEPIG工艺，可节省50%以上，更重要地是提高了焊接的可靠性和使用寿命！

2 化学镀镍/化学镀钯浸金所涉及技术方面

2.1 组装参数的重复最佳化

化学镀镍/钯/金必须满足金属丝键合和焊接两方面参数要求并能够达到重复最佳化的程度。

2.2 用于无铅焊接方面

（1）形成三元(Cu,Ni)6Sn5的IMC（Intermetallic Compound）。

化学镍镀层用于无铅焊接的有关IMC问题。以Sn-Ag-Cu无铅为主体的焊料来说，当进行再流焊后的微结构是由少量Ag3Sn和Ni3Sn4颗粒分散在大量锡基质中而组成的。在焊接的过程中，钯和金迅速地熔解而进入到熔融的焊料里，从而使焊料与底层的镍进行接触并形成IMC（界面合金共化物，或金属间互化物）化合物。从焊盘上来的的镍和从焊料中来的锡、铜一起参与反应，并在界面处形成三元金属(Cu,Ni)6Sn5互化物，而在镀镍层的表面上（或顶部）则形成Ni3Sn4。由于Ni3Sn4和(Cu,Ni)6Sn5之间的结晶结构和晶格的差别存在着高的错位密度，因而在Ni3Sn4/(Cu,Ni)6Sn5的界面处会引起空洞的发生并增加失效的机率。但是，作为IC的应用上，由于采用底部充填（Underfull）的焊接点来说，这种的危险趋势是很小的，或者说是不存在的。

（2）形成AuSn4金属间化合物。

尽管在焊接过程中，钯和金是属于‘牺牲性’镀覆层，因而在焊接时都熔融进入到焊点的焊料内。其中：钯在焊接温度下的熔解度仅为金的熔解度的1/65，而且熔解的钯是不会形成IMC的并浮在焊点的表面上，形成一层坚固而稳定的保护层，保护了焊点（因为氧化慢得多）；而熔解的金是进入到焊料内并形成AuSn4金属间化合物，这种AuSn4的金属间化合物的含量多（特别是金含量超过3%质量比）时，将呈现出明显的脆性，影响焊点的可靠性。因此，采用化学镍/钯/金工艺，可以尽量降低浸金的厚度，而减少金层的厚度，不仅可以带来降低产品成本，而且更重要地是提高焊接的可靠性

（3）用于金属丝键合方面——化学镀镍/钯/金在金属丝键合（WB）方面，经过几十年的应用表明是完全可以胜任的。化学镀镍/钯/金层，不仅达到可金属丝键合的化学镀镍/金层的效果，而且可大大节省成本。

3 化学镍/化学钯/浸金的可靠性和成本方面

比起ENIG来，ENEPIG的可靠性和成本方面要优越多了。

3.1 ENEPIG的可靠性

化学镀镍化学镀钯浸金的产品经过10次回流焊和500次高低温循环以及在150 ℃下老化1000小时后的结果（如图4和图5所示）表明[1]，样品的界面的互化物（IMC）厚度的变化是很小的，这表示其可靠性是不成问题的。

3.2 ENEPIG的成本方面

关于ENEPIG的材料成本方面，对于可键合（Bondable）的电镀金工艺或可键合化学镀金工艺而言，采用ENEPIG工艺是来得便宜的。假定金属金和金属钯的价格分别为每克18美圆（￥18/g）与每克9.6美圆（￥9.6/g），由于金的密度为19 g/cm3，而钯的密度为10 g/cm3，相差约1倍。如果镀覆相同厚度的话，则钯金属的成本大约为金成本的1/4而已[1]。用于可键合的表面镀覆（ENIGH或ENEPIG）的PCB产品，其销售价格为每平方英寸5美圆（￥5/sq.ft），若表面涂（镀）覆采用化学镍、钯、金工艺加工取代化学镀镍/化学镀金（注意：这里是指可键合用的金层，而不是指焊接用的金层）可以节省成本到80%。

总之，化学镀镍/化学镀钯/浸金工艺所得到的金属镀覆层，它是一种“万能”的表面涂（镀）覆层，通过控制化学镀钯和化学浸金的厚度，不仅可用于无铅焊接条件，而且能够满足金属丝键合（WB，Wire Bonding）的要求。采用化学镀镍/钯/金取代化学镀镍/金，不仅可明显降低成本，而且有利于提高焊接的可靠性。随着IC封装基板的迅速增长和系统封装（SIP）的快速发展，采用金属丝键合（FC安装）工艺将越来越多，因此，化学镀（或电镀）镍/化学镀钯/浸金的应用将具有很好的发展前景。

参考资料

[1]Dennis K.W.Yee;New final finish candidate for IC package[J]. Circuitree, 2007(1):10-11.

[2]林金堵, 龚永林, 陈陪良. 现代印制电路基础(第四版)[M]. 中国印制电路行业协会(CPCA), 印制电路信息杂志社(PCI), 2004, (12):201-234.

[3]卢尔柏德 斯特. 以钯作扩散阻挡层——一种多功能线路板表面处理方法[J]. 印制电路信息, 2009(3):41-44.