阳极氧化铝基板绝缘层上金的化学成因及应对措施

秦典成 李保忠 肖永龙(乐健科技珠海有限公司， 广东 珠海 519180)

阳极氧化铝基板绝缘层上金的化学成因及应对措施

秦典成 李保忠 肖永龙(乐健科技珠海有限公司， 广东 珠海 519180)

本文从阳极氧化铝基板的生产工艺流程等方面入手，结合切片观察的手段，探讨了在沉镍钯金表面处理时阳极氧化铝基板绝缘层上金的形成原因，并提出了相应的应对措施。研究表明，对阳极氧化层表面所覆盖的钛层的蚀刻处理不当导致Al2O3绝缘层被破坏，是后续过沉镍钯金时Al2O3绝缘层上金的成因；而选用NH4F溶液进行钛层的蚀刻处理，能够有效解决Al2O3绝缘层的上金问题。

阳极氧化；氧化铝基板；钛层；上金

0 引言

阳极氧化铝基板是一种具有高导热特性的LED封装散热基板，其导热绝缘层由导热系数较高的Al2O3薄膜所构成，整板导热率可高达122W/m·K；并且，阳极氧化铝基板与LED芯片的热膨胀系数匹配程度较高，基本不会出现光衰和死灯的问题，已逐渐成为大功率与高光密LED封装领域有代表性的导热复合材料之一[1]。

图1示出了阳极氧化铝基板的基本制备流程。其中，首先对经过表面清洁处理的铝合金板进行阳极氧化而得到具有高导热系数且疏松多孔性的Al2O3绝缘层，并利用小分子量绝缘漆浸渍对多孔性的Al2O3绝缘层进行封孔处理以保证完整性；接着采用真空镀膜工艺在Al2O3绝缘层表面依次溅射钛层和底铜层(各1-3μm)，并在底铜层上电镀加厚铜至预定铜厚，然后完成表面线路制作、丝印阻焊和表面处理等后续流程。钛层不仅可以增强Al2O3绝缘层与铜层之间的结合力，还能够在一定程度上使Al2O3绝缘层与铜层的热膨胀系数相匹配。

沉镍钯金(英文简称ENEPIG)是LED封装散热基板最常用的表面处理方式之一[2-3]，它是在焊盘上先后沉积镍、钯和金的一种表面处理工艺，其中镍层厚度一般为2.00μm～5.00μm、钯层厚度一般为0.10μm～0.20μm、金层厚度一般为0.03μm～0.05μm[4-5]。与其他LED封装散热基板相同，阳极氧化铝基板同样采用ENEPIG工艺进行表面处理。

图1 阳极氧化铝基板的制备流程

1 沉镍钯金后Al2O3绝缘层存在上金现象

阳极氧化铝基板ENEPIG工艺的基本流程为：除油—微蚀—酸洗—预浸—活化钯—化学镀镍(还原)—化学镀钯(还原)—化学浸金(置换)[6]。

其中，化学镀镍以次磷酸盐作为还原剂，其自催化氧化还原反应式如下：

化学镀钯与化学镀镍机理大体相同，也是以次磷酸盐作为还原剂，其自催化氧化还原反应式如下：

化学浸金属于置换反应，Au与Pd发生置换反应，其反应式如下：

经过ENEPIG表面处理后，我们发现在裸露于阻焊层的Al2O3绝缘层上存在较为严重的镍钯金沉积现象(本文中简称上金)，具体如图2所示：

2 Al2O3绝缘层上金的成因分析

为了分析Al2O3绝缘层上金的成因，我们首先简单回顾一下阳极氧化铝基板的基本制备流程：

铝合金板阳极氧化处理 → 绝缘漆浸渍 →溅射钛层 → 溅射铜层 → 全板电镀加厚铜 →图形蚀刻得到铜线路层 → 利用HF溶液蚀刻无铜区域的钛层 → 丝印阻焊 →沉镍钯金

可见，阳极氧化铝基板的制备过程中存在蚀刻无铜区域的钛层这一关键步骤，以避免因铜线路层区域之外钛层的残留而影响阳极氧化铝基板的电气性能[7-8]。

根据化学原理可知，Al2O3绝缘层上金，说明在金层下方存在着某种金属，为镍钯金的形核与生长提供了条件。因此，我们初步认为Al2O3绝缘层上金是因钛层的蚀刻处理不彻底，导致Al2O3绝缘层上存在钛残留，使得镍钯金在残留的钛上沉积所致。为验证这一初步判断，我们准备了两块阳极氧化铝基板进行对比试验，并按如下参数要求进行蚀刻除钛处理：

样品编号钛层蚀刻处理参数HF浓度(%)时间(min)压力(kg/cm2)温度(℃) 1# 3%-5% 4 3.0 35 2# 3%-5% 6 3.0 35

图2 Al2O3绝缘层上存在上金缺陷

图3 不同除钛时间下Al2O3绝缘层上金不良效果对比

图4 不同除钛时间下阳极氧化铝基板的切片对比

图5 利用NH4F溶液进行钛层蚀刻处理后所得到的阳极氧化铝基板

待ENEPIG表面处理完成后，我们对上述两块样品的Al2O3绝缘层上金现象进行对比，结果如下图3图所示：

对比图3 a和b两图可知，除钛时间越长，Al2O3绝缘层上金现象反而越严重，这与我们认为Al2O3绝缘层上金是因钛层的蚀刻处理不彻底所致的初步判断大相径庭，至此可以排除这一原因。

为此，我们转换思路，针该两块样品的Al2O3绝缘层上金处进行横截面切片分析与观察，结果图4图所示。从该图中可以看出，当除钛时间为4分钟时，Al2O3绝缘层的最薄厚度仅为15.47um(如图4a所示)；当除钛时间为6分钟时，Al2O3绝缘层的某一单点厚度仅有6.63um，且部分区域的Al2O3绝缘层已经被完全去除(图4b所示)。而根据设计要求，Al2O3绝缘层厚度应该控制在30-45um之间。因此，可以判定，钛层的蚀刻处理时间过长，导致Al2O3绝缘层遭到HF溶液攻击，使得Al2O3绝缘层的厚度过薄甚至被彻底破坏；这样，在ENEPIG表面处理时，表面处理溶液进入过薄Al2O3绝缘层的微小孔洞与铝基接触或者与铝基直接接触，从而在表面处理溶液与铝基接触的界面发生了镍、钯和金的沉积，才是Al2O3绝缘层表面上金的原因。

3 Al2O3绝缘层上金的应对措施

在确认了导致Al2O3绝缘层上金的原因之后，我们选用了环保且蚀刻能力较HF弱的NH4F溶液作为钛层的蚀刻溶液，这不仅便于对蚀刻参数进行控制，而且使得处理工艺更为环保。为了验证应对措施的可行性，我们选用了浓度为3%-5%的NH4F溶液进行钛层的蚀刻处理，蚀刻时间为5分钟。ENEPIG后再对阳极氧化铝基板表面的Al2O3绝缘层进行观察，如图图5所示，没有发现Al2O3绝缘层上产生上金现象。

同时，我们对利用NH4F溶液进行钛层蚀刻处理后所得到的阳极氧化铝基板进行了横截面切片，以观察Al2O3绝缘层是否遭到破坏，厚度是否在设计范围内。如图6所示，可以观察得知Al2O3绝缘层的整个厚度均在设计厚度35±5um的范围之内，这说明按照上述工艺参数利用NH4F溶液对钛层进行蚀刻处理时，Al2O3绝缘层基本上不会受到NH4F溶液的攻击。

4 结语

利用HF溶液进行蚀刻除钛处理时，工艺参数控制不当导致Al2O3绝缘层因被HF溶液攻击而厚度过薄乃至被完全去除，是ENEPIG表面处理时Al2O3绝缘层上金的原因。选用蚀刻能力相对较弱且更为环保的NH4F溶液进行蚀刻除钛处理，在蚀刻除钛的过程中可以较为容易地将Al2O3绝缘层保持在设计厚度范围内，能够有效解决ENEPIG表面处理时Al2O3绝缘层的上金问题。

[1]N.Yeh,J.P.Chung.High-brightness LEDs - Energy efficient lighting sources and their potential in indoor plant cultivation[J],Renewable and Sustainable Energy Reviews,2009,23：1-6.

[2]顾霭云.表面组装技术(SMT)基础与可制造性设计(DFM)[M].北京：电子工业出版社,2008.

[3]梁万雷,曹白杨.表面组装印制电路板的可制造性设计[J].电子工艺技术,2006,29(2)：74-76.

[4]张文怡,王骏,杨春霞.DFM技术在PCB设计中的应用[J].电子工艺技术,2010,31(5)：281-285.

[5]陈正浩.电子装联可制造性设计[J].电子工艺技术,2006,27(3)：177-180.

[6]纪成光，陈立宇，袁继旺，王燕梅[J].电子工艺技术,2011,32(2)：90-94.

[7]M.G.James,Y.T.Jeffrey,A.S.Jerry,Prospects for LED Lighting[J],Proceedings of SPIE 2004,5187：227-233.

[8]W.Frank,S.M.Paul,H.Gerard,High Power LED Package Requirements[J],Proceedings of SPIE 2003 5187：85-92.

Based on production technology process and cross-section observation,the cause of gold forming on anodic coating of anodic alumina substrate has been explored with fixing solution being provided.The study shows that mishandling of Ti layer etching process results in gold forming on Al2O3insulating layer during ENEPIG process,and etching the Ti layer by NH4F solution is an effective method to avoid gold formation on the Al2O3insulating layer.

anodizing; alumina substrate; Ti layer; gold on anodic coating