取代化学镍金用于线宽线距小于30μm高密度印制板的新技术

方景礼

（南京大学化学化工学院，江苏 南京 210023）

1 化学镀镍金工艺的优势

目前在微电子领域的表面处理技术中，化学镀镍/金层以其价格适中、耐磨性好、分散能力强、可焊性好和多次焊接性能、良好的打线性能，能兼容多种助焊剂，能在多种类型的基体，例如Al、Cu、Si、聚合物表面进行镍/金的沉积，同时，它又是一种极好的铜面保护层。随着半导体产品向轻、薄、短、小的方向发展，F1ip Chip（倒装芯片封装技术）越来越得到重视。Flip Chip技术中的凸点制作工艺有多种，如通过电镀或化学镀在芯片I/O金属垫上直接制作凸点。多数工艺则是先在I/O金属垫上制作一金属层，然后通过印刷锡膏或直接放置成型锡球的方法制作凸点。化学镀镍金具有廉价和适用于Sn/Pb合金和粘合剂、良好的可焊性和阻挡扩散性等优点，化学镀镍/金

在UBM技术中可以用作凸点的基底或作为凸点与导电粘结剂的连接。

化学镀镍/金镀层可满足更多种组装要求，具有可焊接、可接触导通、可打线、可散热等功能，同时其板面平整、SMD（表面贴装器件）焊盘平坦，适合于细密线路、细小焊盘的锡膏熔焊，能较好用于COB及BGA的制作，又是一种极好的铜面保护层。因此，化学镀镍/金工艺在印制线路板的制作上得到迅速推广应用[1]-[3]。

2 化学镀镍金工艺的缺点[4]

化学镀镍/置换镀金的反应式为：

Ni2P+4[Au(CN)2]-→4Au+P+2[Ni(CN)4]2-

金配离子腐蚀Ni-P合金产生金镀层，残留的P留在Au/Ni层之间造成“黑带”，“黑垫”现象使焊接性能明显降低（如图1）。

图1 化学镀镍金时形成的”黑带”

随着印制电路板和芯片上的线路设计更加复杂，线宽和线距更小，化学镀镍金过程中容易出现的问题主要是镀镍金层出现渗漏问题。尤其对超高密度线路板和芯片，由于化学镀镍时钯活化剂易夹杂在两线路之间，引起渗镀或超镀（over plating）或线路交联，使线路短路，造成产品报废。

3 化学镀镍金工艺的使用极限线宽和线距的测定

为了确定化学镀镍金工艺的使用极限线宽和线距，我们选用的CIS硅晶圆，表面已经电镀有铜层,线条宽为60 μm，线距分别为10 μm～60 μm的芯片来进行化学镀镍，化学镀镍采用市售化学镍/金用的化学镀镍用的各种溶液，所用工艺流程为：除油（45 ℃，2 min）→微蚀（室温，1 min）→预浸（室温，1 min)→钯活化（室温，3min）→后浸（室温，2 min）→化学镀镍（82 ℃，15 min，pH4.4～4.8）。试验样品为铜芯，线宽均60 μm，结果如图2和图3所示化镍严重交联，这表明化学镀镍工艺的使用极限线宽和线距为60 μm以上。

图2 芯片化学镀镍后的交联情况

图3 线宽线距为60 μm和60 μm的芯片化学镀镍后的交联情况

4 取代化学镍金用于线宽线距＜30 μm超高密度PCB和ULSI的新技术[5][6]

目前超大规模集成电路（ULSI）和印制电路板所使用的金属材料有铜或金等等。铜的成本价格低，导电性及热导性优良，具有良好均匀性、致密性，但它也有许多缺点，如易氧化，尤其是加热时更易氧化，易与周围的环境发生反应，会和空气中二氧化碳作用形成铜绿，与基体的粘附性差，易在硅中形成扩散，在较低的温度下就可以形成铜与硅的化合物。金镀层具有耐色变性能好，同时具有耐腐蚀、耐磨损、抗氧化、接触电阻低、可焊接性好、可热压键合等优良性能，又可作为功能性、防护性镀层，因而镀金层也广泛用于电子产品，但其成本价格高。银镀层反射率高，导电导热性能优良，焊接性能好，可热压键合，对高频信号的损耗极小，它在硅中不易扩散，易晶化，孔隙率小，可以避免使用阻挡层材料而增加工艺和成本，最主要的是银具有金属中最小的电阻率（1.61 μΩ.cm）[7]，因此微碱性化学镀银能取代化学镍金用于线宽线距＜30 μm超高密度PCB和ULSI的新技术。

5 微碱性化学镀银工艺的特点

（1）符合表面终饰未来发展之必备要求；

（2）成本低；

（3）产品适用性广，适于刚性和挠性印制板和芯片；

（4）工艺简单、操作温度较低、时间短；

（5）IPC2003会议评比为信赖性最佳（72 ℃，RH85%，48周）；

（6）导电性最佳，表面平整，无尖端发射问题，有利于高速、高频讯号发展；

（7）优异的微盲孔覆盖性；

（8）可打铝线（Al wire bonding）；

（9）适用于水平和垂直生產线使用；

（10）对超高密度线路不会发生交联现象。

6 用超高密度线路的芯片化学镀银

化学镀银采用的是我们专利的工艺与药水[8]，选用CIS硅晶圆，表面已经电镀有铜层，线条宽为60 μm，线距分别为10到60 μm的芯片来进行化学镀银，所用工艺流程为：

除油（45 ℃，2 min）→微蚀（室温，1 min）→稀硫酸洗（室温，1min）→预浸银（30 ℃，1 min，pH8.8-9.2）→浸银（60 ℃，4 min，pH8.8～9.2），各步骤间有三次DI水洗。所得结果如图4、图5所示，均没有交联（如图4、图5）。

图4 芯片化学镀银后的情况

图5 线宽60 μm和线距20 μm的片化学镀银后没有交联

由图可见，线宽60 μm、线距在10～60 μm的超细线路经化学镀银后外观均匀、平整,都没有交联或漏镀等现象。这表明化学镀银工艺适于线距小到10 μm的超高密度芯片和PCB的电镀，是可取代化学镍金用于线宽线距＜30 μm超高密度PCB和ULS（其大规模集成电路）I的新技术。

7 化学镀银层的焊接性能和打线功能[9]

7.1 化学镀银层的焊接性能

（1）银层在155 ℃烘烤后的可焊性（如图6）。

图6 银层在155 ℃烘烤后的可焊性

（2）回流焊数次前后的可焊性（如图7）。

图7 银层在回流焊数次后的可焊性

银层在 Heller 回流焊机上重熔数次后的可焊性仍然优异，超过了B公司银层的水平,可焊性与 ENIG（化学镀镍金）相近，说明化学镀银层具有优良的焊接性能。

6.2 化学镀银层的打线功能

（1）银层在155 ℃烘烤后的打线性能（如图8）。

图8 烘烤后的打线性能

（2）回流焊数次前后的打线性能（如图9）。

图9 回流焊数次后的打线性能

浸银层在155 ℃下烘烤4 h前后的打线性能是优良的，其效果与 ENIG 相当，浸银层在通过3次回流焊后仍具有优良的打线性能，其效果与ENIG 相当，说明化学镀银层具有优良的打线性能。

8 化学镀银层上化学镀金

虽然厚度为0.2～0.3 μm的化学镀银层就可达到PCB化学镀镍金（4 μm Ni+0.1 μm Au）的焊接和打线性能，但为了进一步提高化学镀银层的抗蚀性和抗氧化性能，增强打金线的强度，也可在0.2 μm化学镀银层上再镀上0.05～0.1 μm的化学镀金层.这样形成的化学镀银/化学镀金有如下的优点：

（1）化学镀银不需要钯催化剂，不会出现超镀或交联现象，适于超高密度线路板和超大规模集成电路芯片的电镀；

（2）化学镀银取代化学镀镍不会出现”黑垫”和”黑带”，不会影响焊接性能；

（3）用化学镀银/化学镀金取代电镀镍/金可以节约金的用量；

（4）化学镀银,化学镀银/化学镀金的成本低于化学镀镍/置换镀金、化学镀镍/化学镀钯/置换镀金或电镀镍/金；

（5）化学镀银或化学镀银/化学镀金可能是适于5G时代使用的新技术,值得深入研究和开发。