化学镀N i-P镀层状态对引线键合的影响(2)

蔡积庆 译

（江苏 南京 210018）

（接上期）

3.3 化学镀Ni-P析出状态时对Ni局部腐蚀的影响

析出状态为层状和柱状析出的化学镀Ni-P镀层之间确认了镀Au层表面上扩散的Ni浓度的差异。这是由于与还原镀Au置换镀Au时进行的Ni局部腐蚀现象有关，观察了还原镀Au层/置换镀Au层/Ni-P镀层的截面和剥离镀Au层以后的Ni镀层状态。如图6所示，使用柱状析出的化学镀Ni-P镀层，进行还原镀Au/置换镀Au时，确认了Ni-P镀层上多数的孔蚀（Hole Corrosion）。这些多数的孔蚀发生在浅表层区域，一个个的孔蚀部分连接起来而呈现扩大倾向。P含量6 wt%的Ni-P镀层上孔蚀显著，与之相比，P含量8 wt%的Ni-P镀层表现出抑制孔蚀的倾向。另一方面，具有层状析出的化学镀Ni-P镀层情况下，孔蚀从Ni表面向深度方向进行，Ni表面的孔蚀数比柱状析出的化学镀Ni-P镀层表现出减少的倾向。另外，同样的层状析出的化学镀Ni-P镀层中，由于P含量从6 wt%（镀液C）上升到8 wt%（镀液D）而孔蚀数减少且孔蚀深度变浅。根据上述结果可知，由于热处理而使Ni难以扩散到Au表面，可以获得粘结性良好的化学镀Ni-P镀层抑制了置换镀Au时的Ni表面的局部腐蚀。

3.4 Ni析出状态时基底金属熔出行为的影响

根据上述结果可知由于基底化学镀Ni-P镀层的P含量和析出状态而产生Ni局部腐蚀的差异，热处理以后从腐蚀部分的基底金属扩散，使引线键合发生很大差异。使用自制的简易加速试装置监控各种化学镀Ni-P镀层中基底金属的溶出行为，研究Ni-P镀层析出状态对析出的Au/Ni-P镀层的耐蚀性的影响，结果如图7所示，研究直到Ni溶出的时间，结果确认了基底金属溶出的反应溶液的顺序为镀液A→镀液B→镀液C→镀液D。利用SEM观察加速试验以后的试验基板表面状态，结果表明使用柱状析出的化学镀Ni-P镀层时，镀Au层表面出现变色处。利用EDS研究该变色部分的元素分析，结果确认了试验基板的Cu材质的表面扩散。观察加速试验以后的Pt电极表面，确认了Pt电极表面上析出Ni。另一方面，使用层状析出的化学镀Ni-P镀层时，试验基板表面上没有观察到Cu，Pt电极表面上也没有析出Ni。采用这种试验方法进行还原Au/置换Au/Ni-P镀层的耐蚀性和加速试验，结果表明即使化学镀Au层为0.25 mm时，基底化学镀Ni-P镀层的析出状态也会影响到耐蚀性。另外，具有柱状析出的化学镀Ni-P镀层时，由于试验基板材质Cu扩散到镀Au层表面，引起局部激烈的Ni腐蚀处存在微细针孔。

3.5 各种化学镀Ni-P镀层上置换Au镀层析出行为

化学镀Ni-P镀层上施行化学镀Au时，由于是在采用置换反应析出的镀Au层上引起还原镀Au反应，所以Au初期镀层的置换Au镀层状态影响到引线键合或者耐蚀性等物理性质，为了考察置换镀Au层的镀层状态，采用如图7所示的基底金属的溶出行为确认了非常显著的差异，从镀液A获得的柱状析出的化学镀Ni-P镀层和从镀液D获得的层状析出的化学镀Ni-P镀层的基板分别浸渍于置换镀Au液中并观察表面电位的行为。浸渍于置换镀Au液中以后的基板表面电位表示各种Ni-P镀层的电位，随着时间的经过形成置换镀Au层，基板表面移向高电位。如图8所示，浸渍以后的初期电位和镀Au反应中的电位行为，置换镀Au层厚度0.05 mm时的电位差的发生取决于化学镀Ni-P镀层的形状。在层状析出的化学镀Ni-P镀层情况下，初期电位表示为-0.46 V，此后的表面电位移向高电位，置换镀Au层厚度0.05 mm时（浸渍时间420 s）表示为-0.34 V。在柱状析出情况下，初期电位为-0.5 V。此后到浸渍时间约70 s的反应初期与层状析出的化学镀Ni-P镀的情况同样的行为，移向高电位。然而浸渍时间约80 s ～ 230 s之间，电位停止在-0.43 V附近，浸渍时间230 s以后，电位再度表现出上升的倾向。另外，置换镀Au层厚度0.05 mm时（浸渍时间420 s）的电位为-0.38 V，与层状析出的化学镀Ni-P移层比较，表现出接近于基底Ni-P镀层的电位值。

在置换镀Au反应中，基底化学镀Ni-P镀层的表面状态对置换镀Au层的分布状态或者表面状态时的影响被认为是表面电位的变化。使用AFM观察浸渍时间90 s，420 s时层状和柱状析出的基板表面状态，结果确认了置换镀Au初期（浸渍时90 s）的层状或者柱状析出的化学镀Ni-P镀层上置换镀Au的表面状态没有差异，随着浸渍时间增加析出的粒径都增大。然而浸渍时间420 s.（镀Au层厚度0.05 mm）的镀Au层表面状态，在层状析出的化学镀Ni-P镀层情况下，置换镀Au层的析出粒子分布比较均匀，而在柱状析出的情况下局部析出粒子大，而且析出的粒子分布不均匀。根据上述结果可知，层状析出的化学镀Ni-P镀层上形成的置换镀Au层抑制了基底Ni-P镀层的孔蚀处，由于Au析出粒子均匀分布，可以形成透过化学镀Ni-P镀层的微细针孔少的镀Au层；另一方面，柱状析出的化学镀Ni-P镀层由于在置换镀Au反应初期发生许多局部的孔蚀，在宽范围面积积上基底Ni镀层的溶出依然长时间继续进行，表现出局部腐蚀处偏向于Au析出粒子分布的倾向，由于这种Au析出粒子的不均匀性，即使置换镀Au层厚度0.05 mm时也存在镀Au层粒界部分到达基底Ni镀层并促进往Ni表面扩散的微细针孔。

3.6 各种化学镀Ni-P镀层上还原镀Au行为

由上述结果可知，通过观察置换镀Au反应时的电位，认为Au表面上Ni容易扩散是由于从置换镀Au阶段发生的微细针孔所致。以层状和柱状析出的基底化学镀Ni-P镀层上分别置换镀Au0.05 mm的基板为作用极浸渍于还原镀Au液中，监控各种置换镀Au层上还原镀Au析出行为。如图9所示，从浸渍以后到发生还原镀Au反应之间，使用层状析出的化学镀Ni-P镀层时电位稳定在约-0.70 V附近，另一方面，柱状析出的化学镀Ni-P镀层时电位从约-0.70 V附近缓慢下降。在层状析出的化学镀Ni-P镀层情况下置换镀Au层成膜均匀，因此置换镀Au层的电位稳定，另一方面，在柱状析出的化学镀Ni-P镀层情况下镀Au层成长时透过微细针孔，溶出基底化学镀Ni-P镀层，结果使电位下降。然后，如果发生还原镀Au反应，与采用柱状析出的化学镀Ni-P镀层相比，使用层状析出的化学镀Ni-P镀层时的表面电位急剧变化。镀Au层厚度0.25 mm时的表面电位，使用柱状析出的化学镀Ni-P镀层时为-0.76 V，使用层状析出时为-0.77 V。根据这种结果可知，在柱状析出的化学镀Ni-P镀层情况下由于置换镀Au层上存在许多微细针孔的影响，还原镀Au层上也形成了微细针孔。还原镀Au厚度0.20mm时，仍然残存微细针孔，由于热负荷而使基底化学镀Ni-P镀层扩散到Au表层。另一方面，在层状析出的化学镀Ni-P镀层上形成的置换镀Au层由于难以形成微细针孔，采用0.2 mm厚度的还原镀Au层可以显著的抑制局部的基底Ni的表面扩散。

图10表示了基于上述结果的化学镀Ni-P镀层扩散到镀Au层表面的机理。基底化学镀Ni-P镀层的析出状态时对镀Au以后的线粘结强度推测如下。首先，形成各种析出状态的化学镀Ni-P镀层的PCB基板，如果浸渍于置换镀Au液中，层状析出的化学镀Ni-P镀层的局部腐蚀少，柱状析出的化学镀Ni-P镀层的局部腐蚀多，在这样的状态下发生并进行置换Au（浸Au）反应。随着时间的增加，置换镀Au层厚度0.05 mm时，由于层状析出的化学镀Ni-P镀层比柱状析出的局部腐蚀少，而纵方向进行置换镀反应，所以基板表面上形成均匀的置换镀Au层，还原镀Au层厚度0.25 mm时，即使热负荷以后也可以抑制Ni扩散到镀Au层表面获得良好的线粘结性。另一方面，由于柱状析出的化学镀Ni-P镀层上置换镀Au时的局部腐蚀处多，发生许多局部的孔蚀而形成析出粒子不均匀的置换镀Au层，接着，如果浸渍于还原镀Au液中，则会在不均匀的Au析出粒子处的还原镀Au初期引起Ni的溶出。因此即使0.25 mm镀Au层厚度也会在Ni溶出处形成不均匀的析出粒子排列的镀Au层。这个部分的微细针孔由于热负荷而使Ni扩散到Au表面，引起引线键合降低。但是当化学镀Au层厚度为0.55 mm时，由于充分的厚度Au层积层而形成具有均匀析出粒子排列的镀Au层，因此即使热处理以后也与基底化学镀Ni-P镀层形状无关，可以获得良好的引线键合性。为了既要热中于低成本化的镀Au薄膜化，又可以获得粘结性优良的化学镀Au/Ni-P镀层，化学镀Ni-P镀液的选择，PCB基板的表面形态，前处理液和化学镀Ni-P镀液的管理是重要的。另外为了把化学镀Ni-P镀层用作基底镀层，需要某一规定以上的镀层厚度。虽然为了降低成本而要求更加薄膜化的化学镀Ni-P镀层厚度，但是基底化学镀Ni-P镀层形状和镀层厚度影响到线粘结性，因此化学镀Ni-P镀液的管理状态和镀层厚度管理状态都是重要的因素。

4 结语

化学镀Ni-P镀层中的P含量和Ni析出状态与引线键合的关联性研究结果获得以下结论。

（1）在还原镀Au层厚膜的情况下，基底化学镀Ni-P镀层的构造对引线键合的影响少。

（2）在还原镀Au层薄膜的情况下，热处理以后的引线键合取决于基底化学镀Ni-P镀层的P含量和析出状态，特别是化学镀Ni-P镀层的析出状态影响到引线键合性。

（3）由于化学镀Ni-P镀层的析出状态而发生化学镀Au时Ni局部腐蚀状态的显著差异，特别是采用柱状析出的化学镀Ni-P镀层时表现出激烈的引起Ni的腐蚀的倾向。

（4）化学镀Ni-P镀层的析出状态给予后续的置换镀Au析出行为的影响，置换镀Au层的表面电位发生显著差异。另外置换镀Au层状态还会影响到还原镀Au反应。

（5）化学镀Ni-P镀层的析出状态为层状析出而且P含量为8wt%时，热处理以后仍可获得两的引线键合性。

[1]H.Haji. Hyomen Gijutsu, 49,166(1998).

[2]T. Yamamoto, H. Watanabe, K. Izawa, H. Honma;Journal of Japan institute of Electronics Packaging,6,339 (2003).

[3]A. Aiba, K. Kawamura, H. Shibuya; Proceeding of the MES2005, p.357(2005).

[4]橋本滋雄, 上玉利徹. 第37回エレクトロニクス安装学会ヒミナ—, p.58(2004).

[5]T. Osaka, T. Misato, J. Sato, H. Akiya, T. Honma,M. Kato, Y. Okinaka, O. Yoshioka ; Journal of Electrochemical Soc, 147, 1059(2000).

[6]M. Kato ; THE CHEMICAL TIMES, 189, No.3,10(2003).

[7]K. Tashiro, S. Yamamoto, K. Ishikawa, J. Nakazato,H. Honma ; Journal of Japan Institute of Electronics Packaging,5,359(2002).

[8]岩仓文明. 表面安装技术, 5, p, 60(1997).

[9]大久保利一, 渉谷宏明. 电子材料, 10, p,81(1997).

[10]A. Chinda, N. Miyamoto, O. Yoshioka ; Hyomen Gijutsu,49,1291(1998).

[11]加藤育详, 寺岛肇, 渡邊秀人, 本間英夫. 表面技术, vo1,62,No.1,2011.