新型ENEPIG封装基板化学镀钯工艺优化

于金伟

(潍坊学院，山东 潍坊　261061)



新型ENEPIG封装基板化学镀钯工艺优化

于金伟

(潍坊学院，山东 潍坊261061)

摘要：化学镀钯是制作新型ENEPIG印制电路板最关键的工艺，从化学镀钯反应机理入手，分析了影响质量的工艺参数，运用实验设计中健壮设计的实验方法，对工艺参数进行了优化，找到了新型ENEPIG印制电路板中化学镀钯的最优工艺参数:2.2g/L氯化钯，13.2g/L次磷酸钠，165mL/L氢氧化铵，33g/L氯化铵，镀液θ为55℃，pH为9.6。验证试验表明，应用改善后的镀钯工艺，钯的沉积速率明显加快，集中度也得到显著提高。

关键词:印制电路板； 化学镀钯； 工艺; 参数优化

计划项目(201013);山东省高等学校科技计划项目(J12LA57);山东省星火计划项目(2011XH06025)

Process Optimization of Electroless Palladium Plating for

New Type ENEPIG Package Substrate

YU Jinwei

(Weifang University，Weifang 261061,China)

Abstract:Electroless palladium plating is the most key process in new type ENEPIG printed circuit board manufacturing.In this paper，process parameters which influencing the quality were analyzed from the reaction mechanism of electroless palladium plating，and these parameters were optimized by using robust design experimental method of DOE.The optimal process parameters were founded as follows：PdCl22.2g/L,NaH2PO2concentration 13.2g/L,NH4OH 165mL/L,bath temperature 55℃,bath pH 9.6,NH4Cl 33g/L.Validation tests showed that the palladium deposition rate was accelerated obviously and the concentration was increased significantly after the optimized palladium plating process had been applied.

Keyword:printed circuit board;electroless palladium plating;process;parameter optimization

引言

在MEMS封装领域，封装基板是承载器件的基础，其最大的隐患“黑垫”问题困扰了业界很长时间，为彻底解决该问题，开发了新型的ENEPIG(Electroless Nickel，Electroless Palladium，and Immersion Gold，化学镀镍，化学镀钯与浸金)封装基板，这种基板表面保护工艺最突出的改善是在化学镀Ni层和浸Au层之间加入了化学镀Pd层，它在化学镀Au过程中阻挡了镀镍层与浸金溶液的接触，避免了浸金制程对镍层的氧化，从而解决了“黑垫”问题。对ENEPIG封装基板表面保护这一新工艺来说，化学镀Pd是最关键的工艺[1-3]，其工艺参数的选择会对这一新型基板的质量和生产效率产生显著影响。而影响ENEPIG印制电路板化学镀Pd的因素较多，各因素之间又有交叉影响，为统筹实验分析降低实验成本，本文运用DOE(Design Of Experiment，试验设计)的健壮设计的实验方法对这些参数的选择进行优化。

1影响印制电路板化学镀Pd的因素

1.1化学镀Pd反应机理

以次磷酸盐作为还原剂的化学镀Pd是自催化氧化还原反应，按原子氢理论其反应式如下：

H2PO2-+H2O→H++HPO32-+2H

(1)

Pd2++2H→Pd↓+2H+

(2)

H2PO2-+H→H2O+OH-+P

(3)

H2PO2-+H2O→H++HPO32-+H2↑

(4)

总反应式：

2H2PO2-+Pd2++3H→HPO32-+Pd+P+H2O+2H+

(5)

从以上反应式可见，次磷酸根离子水解脱氢并形成亚磷酸根，同时析出两个活化性初生态氢原子被吸附在镍面上使其活化；溶液中的Pd2+在镍面上迅速还原，在催化镍表面上沉积金属钯；镍表面上的氢原子催化刺激次磷酸根还原成磷并沉积在钯层中；同时，由于催化作用使次磷酸根氧化，形成亚磷酸，并生成H2放出。因此要得到结晶致密的镀钯层，就要及时驱赶所产生的氢气，否则细小的气泡吸附在钯面上，容易形成空洞。

本文针对行业内最有发展前景的ENEPIG印制电路板的化学镀Pd工艺参数为研究对象，影响化学镀Pd的因素有NaH2PO2、NH4OH、PdCl2和NH4Cl质量浓度、镀液温度及pH等。

1.2NaH2PO2的影响

镀液中随着NaH2PO2质量浓度的增加，提高了次磷酸氧化电位，NaH2PO2的还原能力得到增强，表现出沉积速度增加。但是，当NaH2PO2质量浓度大于无活化表面引发临界值时，会因氧化还原反应使镀液自然分解，所以NaH2PO2质量浓度要适当[4-5]。

1.3NH4OH的影响

使用NH4OH可防止产生Pd(OH)2沉淀，通过控制沉积速度，改善镀层外观。因为络合物生成氢氧化物的自由能高，所以比产生Pd(OH)2的倾向要小得多。另外，使用NH4OH可较快地增加钯的沉积速度并且可以延缓pH的下降，从而使镀液的pH得到稳定[4-5]。

1.4镀液pH的影响

如果镀液的pH下降，那么氢离子浓度会增加，导致氧化还原电位降低，还原力减弱。因此还原剂的有效程度与镀液的pH变化有关[4-5]。

1.5PdCl2的影响

镀液中随着PdCl2质量浓度的增加，氧化还原电位提高，化学反应速度加快，表现出沉积速度增加。但是，提高PdCl2质量浓度必须相应提高NaH2PO2质量浓度，即PdCl2的增加受制于NaH2PO2[4-5]。

1.6NH4Cl的影响

NH4Cl作为缓冲剂，它能使镀液的pH降低减慢，使镀液较为稳定[4-5]。

1.7镀液温度的影响

提高镀液温度可以提高离子的活性和扩散速率，从而提高氧化还原电位，使沉积速率增加。但是过高的温度会加速镀液的挥发，导致镀液各种溶质浓度的变化，造成镀液成分不稳定，同时伴有大量气体生成，影响钯的沉积，所以镀液温度要适当[4-5]。

2化学镀钯过程参数优化

健壮设计通过选择可控因子的水平组合从而减少系统对噪声的敏感度，以此来降低系统性能的波动。

2.1制定实验要求及目标

实验要求：优化化学镀Pd工艺，改善过程工艺参数，力求提高钯的沉积速率。

实验目标：钯的沉积速率v>0.7g/(m2·min)。

2.2可控因子和因子水平表的制定

影响化学镀Pd的主要工艺参数为：PdCl2、NaH2PO2、NH4OH、NH4Cl、镀液温度及镀液pH，对于误差因子，除镀液pH选定±2%外，其它因子选定±10%的变差，因此，各因子选择三个水平。因子水平表见表1。

表1因子水平表

因 子水 平123A:ρ(PdCl2)/(g·L-1)A00.9A01.1A0B:ρ(NaH2PO2)/(g·L-1)B00.9B01.1B0C:ρ(NH4OH)/(mL·L-1)C00.9C01.1C0D:ρ(NH4Cl)/(g·L-1)D00.9D01.1D0E:θ/℃E00.9E01.1E0F:pHF00.98F01.02F0

表1中各因子的1水平组合为现有镀钯槽液工艺参数，其具体数值为：2.0g/L PdCl2、12g/L NaH2PO2、150mL/L NH4OH和30g/L NH4Cl，镀液θ为50℃，则因子参数水平表如表2所示。

表2因子参数水平表

因 子水 平123A:ρ(PdCl2)/(g·L-1)21.82.2B:ρ(NaH2PO2)/(g·L-1)1210.813.2C:ρ(NH4OH)/(mL·L-1)150135165D:ρ(NH4Cl)/(g·L-1)302733E:θ/℃504555F:pH9.89.610.0

2.3设计实验方案

打开MINITAB软件，依据上述因子参数水平表选定正交表，把各因子放在正交表的第1至6列。选用菜单【统计】/【DOE】/【田口】/【创建田口设计】，设定相关参数，即可输出设计表，见表3。

表3试验设计方案

试验号ρ(PdCl2)/(g·L-1)ρ(NaH2PO2)/(g·L-1)ρ(NH4OH)/(mL·L-1)ρ(NH4Cl)/(g·L-1)θ/℃pH121215030509.8221215030459.632121503055104210.813527509.85210.813527459.66210.81352755107213.216533509.88213.216533459.69213.2165335510101.81213533509.6111.812135334510121.81213533559.8131.810.816530509.6141.810.8165304510151.810.816530559.8161.813.215027509.6171.813.2150274510181.813.215027559.8192.212165275010202.21216527459.8212.21216527559.6222.210.8150335010232.210.815033459.8242.210.815033559.6252.213.2135305010262.213.213530459.8272.213.213530559.6

2.4钯的沉积速率测试结果

对表3中的每一试验方案均用10PNL线路板实施化学镀Pd，表4是钯的沉积速率的测量结果。

表4钯的沉积速率测量结果(mg/min)

实验号样 品1234567891013.72.72.22.33.02.23.11.62.41.921.00.91.21.11.31.51.21.11.21.232.72.12.41.82.92.12.12.52.12.541.51.01.51.80.41.11.31.91.71.551.51.01.51.80.41.11.31.91.71.562.62.73.42.73.02.43.03.02.22.473.22.23.32.54.52.33.63.03.64.182.91.42.22.42.02.32.42.42.01.998.07.16.95.96.77.85.36.77.15.9100.81.51.81.41.41.51.31.61.81.6110.80.90.41.00.70.70.60.60.90.6120.71.11.01.31.11.60.91.20.91.1132.71.51.31.62.13.22.02.22.62.9142.32.00.82.51.71.93.11.31.71.8152.22.91.63.32.22.42.52.73.12.4163.03.23.03.73.42.63.22.12.92.8172.62.42.02.12.42.33.12.32.32.9181.20.81.21.20.91.21.61.91.41.5194.14.43.53.13.23.22.93.63.23.4202.52.72.02.22.52.21.82.62.02.1

续表

实验号样 品12345678910213.02.93.73.32.23.74.34.04.13.2224.53.13.23.82.53.93.42.83.13.5232.02.71.82.12.12.82.01.82.33.5243.83.93.73.94.33.93.54.13.43.9252.73.84.12.93.93.23.51.84.65.2263.43.12.51.32.62.82.32.92.81.6274.12.32.83.63.44.74.13.05.23.9

2.5SN比的计算

钯的沉积速率值为望大特性，其计算公式是：

=7.22(dB)

同理可得SN2,SN3,…,SN27的值。

2.6对测得的沉积速率数据进行分析

使用MINITAB软件,选择菜单【统计】/【DOE】/【田口】/【分析田口设计】把测量所得数据粘贴在“响应数据位于”上，表5和表6是软件的分析结果。

表5均值响应

水 平ρ(PdCl2)/(g·L-1)ρ(NaH2PO2)/(g·L-1)ρ(NH4OH)/(mL·L-1)ρ(NH4Cl)/(g·L-1)θ/℃pH11.8512.4112.0652.3731.8812.48322.6222.0442.4732.4952.6872.12833.1693.1873.1042.7743.0743.031极差1.3171.1431.0380.4011.1930.902排序134625

在表5中汇集分析了各个因子不同水平均值的平均值和均值的极差。通过观察极差的大小排序，就能发现每个因子对于均值的影响程度，依重要度从大到小顺序排列为因子ρ(PdCl2)、镀液θ、ρ(NaH2PO2)、ρ(NH4OH)和pH，因子ρ(NH4Cl)最小，几乎没有影响。

表6信噪比响应表(望大)

水 平ρ(PdCl2)/(g·L-1)ρ(NaH2PO2)/(g·L-1)ρ(NH4OH)/(mL·L-1)ρ(NH4Cl)/(g·L-1)θ/℃pH13.8406.0283.8806.0003.9906.36526.2104.6876.9046.6827.1945.15739.3118.6478.5786.6798.1787.840极差5.4713.9604.6980.6824.1872.682排序142635

在表6中汇集分析了各个因子不同水平的信噪比平均值和信噪比均值的极差值，通过观察极差的大小排序，就能发现每个因子对信噪比的影响程度，依重要度从大到小顺序排列为因子ρ(PdCl2)、ρ(NH4OH)、镀液θ、ρ(NaH2PO2)和pH，因子ρ(NH4Cl)最小，几乎没有影响。

对上列试验结果进行分析，能够看出各因子对散度和位置的影响程度：A、E、B因子对均值影响相对较大，所以是位置因子；A、C、E因子对信噪比影响相对较大，所以是散度因子；因子B不是散度因子，却是位置因子，由此确定B为调节因子。A、E因子不但是位置因子，还是散度因子。

通常，优化望大特性变量需要两步，一是找到使位置达到最大化的位置因子的水平；二是选择非位置因子的散度因子的水平使散度最小化[6]。

经过MINITAB软件计算得出健壮设计均值主效应分析图如图1。

图1　健壮设计均值主效应分析图

经过MINITAB软件计算得出健壮设计SN比主效应分析图如图2。

图2　健壮设计SN比主效应分析图

依据优化望大特性变量的要求，找到使位置达到最大化的位置因子(A、E、B)的水平。即是因子ρ(PdCl2)取3水平(2.2g/L)，镀液温度取3水平(55℃)，ρ(NaH2PO2)取3水平(13.2g/L)。

在上述因子组合确定后，用因子ρ(NH4OH)的各个水平进行调试，因为它是散度因子而不是位置因子，从而达到让散度最小化的目的[7]。

使用MINITAB软件,选择菜单【统计】/【DOE】/【田口】/【预测田口结果】，得到如表7所示的预测结果。

表7健壮设计预测结果表

ρ(NH4OH)/(mL·L-1)ρ(PdCl2)/(g·L-1)θ/℃ρ(NaH2PO2)/(g·L-1)预测信噪比预测平均值1502.25513.213.67854.260561352.25513.210.65373.852961652.25513.215.35214.89128

从表7可知，在ρ(NH4OH)取不同值时，信噪比都保持较好结果，当ρ(NH4OH)取165mL/L(即3水平)时，钯的沉积速率信噪比和平均值达到最大值。

根据以上分析，因子水平组合A3B3C3E3F3是最优化工艺参数，对于因子D，因其影响很小，可根据镀钯工艺的经济性，取适宜水平即可[8-10]。

3试验验证

按照所得到的最优化工艺参数，进行化学镀Pd验证试验。设置2.2g/L PdCl2，13.2g/L NaH2PO2，165mL/L NH4OH，33g/L NH4Cl，镀液θ为55℃，镀液pH 9.6。图3是化学镀Pd参数优化后钯沉积速率的过程能力状况，图4是化学镀Pd参数优化前钯沉积速率的过程能力状况。可以看出，应用优化后的工艺参数，钯的沉积速率均值从6.4g/(m2·min)提升到48.3g/(m2·min)沉积明显加快，集中度也得到显著提高。

图3　镀钯参数优化后钯沉积速率的过程能力状况

图4　镀钯参数优化前钯沉积速率的过程能力状况

4结论

本文使用试验设计中的健壮设计方法，探索研究了ENEPIG印制电路板中化学镀Pd的最优化工艺参数。根据优化结果，改进了化学镀Pd这一关键工艺的参数：2.2g/L氯化钯，13.2g/L次磷酸钠，165mL/L氢氧化铵，33g/L氯化铵，镀液θ为55℃，pH为9.6。验证试验表明，应用改善后的镀钯工艺后，钯的沉积速率有明显加快，集中度也得到显著提高。

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基金项目：国家星火计划项目(2011GA740047);山东省自然科学基金项目(ZR2012EML03);山东省国际科技合作

收稿日期：2015-06-27修回日期： 2015-08-04

中图分类号：TQ153.19

文献标识码：A

doi：10.3969/j.issn.1001-3849.2016.01.004