铜基细间距图形电路化镀镍钯金

铜基细间距图形电路化镀镍钯金
摘要：对于重布线精密细间距图形电路（线宽/线距20μm/20μm），化镀
镍钯金作为一种重要的表面处理技术，既可以为布线金属层提供优良的保护层，
又可为后续I/O电极键合印刷提供绝佳的导电过渡层，对重布线金属化（RDL）
尤其是细间距图形电路表面处理具有重要的意义。

关键词：RDL；细间距图形电路；化镀镍钯金
1引言
化学镀是一种不需要导电，依据氧化还原原理，利用强还原剂将金属离子还
原成金属而沉积在各种材料表面形成致密镀层的方法。

金属图形电路要制备导电
性好，后续可打线印刷，耐腐蚀氧化，有一定厚度的镀层，往往需要线条表面进
行化镀处理1。

化镀镍钯金（ENEPIG）因均镀能力好，平整性高在细间距图形电
路表面处理方面越来越受到重视。

重布线金属化大多数采用的铜基材由电镀完成，工艺方面在覆胶曝光显影利用MASK OPENING出待镀线条或图形，经化镀后去胶
刻铜最终完成RDL金属化重布线。

本次铜基细间距图形电路加上较窄的线宽线距（20μm/20μm）对化镀镍钯
金工艺有较高的技术挑战，具体表现在3个方面①铜基材的镍前活化②镍外扩（OVERPLATING）的控制③亚硫酸根型镀金液钯上镀厚金的工艺窗口，而铜基精
密细间距图形电路化镀镍钯金工艺的顺利研发不仅为重布线金属化表面处理提供
了可靠的途径，而且同时对亚硫酸根型镀金液钯上镀厚金提供了借鉴方法。

2铜基化镀镍钯金工艺流程及控制
2.1化镀镍钯金工艺流程图
化镀镍钯金工艺流程图如图1所示。

图1 化镀镍钯金工艺流程图
2.2工艺控制
2.2.1 前处理
前处理用以除去铜面氧化物，粗化铜表面，以便在铜面活化沉钯，形成镍还原的催化中心。

对后续得到均匀的镀层及防止镍的漏镀渗镀，甚至整个化镀镍钯金工艺至关重要。

（1）DESCUM 在做化镀前处理之前，为确保上道工艺显影开孔后待镀铜线无
残胶，可先对铜基WAFER进行O
2 PLASMA DESCUM微处理。

利用O
2
氧化性去除有机
物从而达到清除残胶目的。

（2）Grease&Oxide CLEAN 去除铜面氧化层，油脂及显像液残膜。

1.
ETCH 粗化铜面使之有良好的附着性。

反应机理:NaS
2O
8
+H
2
O+Cu→Na
2
SO
4
+CuO+H
2
SO
4
H
2SO
4
+CuO→CuSO
4
+H
2
O
如温室无搅拌下浸泡60secs,大约刻蚀0.3-0.4umCu
如果在连续循环搅拌过滤条件下浸泡，刻蚀速率稍快,达到0.4-0.6um/min 本次在室温无搅拌30g/l条件下控制浸泡60s，刻蚀0.35umCu
1.
Pre-dip 10%H
2SO
4
室温侵泡20secs，使铜面保持酸性环境，处于新鲜状态。

2.
Pd I-11 activation 与铜发生置换反应，作为化学镍自发催化的触媒。

3.
Post-dip 10%H
2SO
4
侵泡20secs，利用酸性环境药液易扩散性清除线距间的药
液残留。

4.
QDR Rinsing 细密线条图形电路的化镀工艺对水的清洗能力要求较高，如果
线条间有即使很少量的药水残留，都可能造成后续镍的假镀，线条间的桥接等问题。

为彻底较干净清除RDL线距尤其是拐角处的残留药液问题，每一步流程两次
甚至多次的QDR溢流去离子水冲洗是必要的。

本次试验为此特地改装了溢流冲洗
装置，在冲洗过程中增加N
2
鼓泡，间接加大冲洗对流力度，较彻底的解决线条缝
隙间的药液残留。

具体要求：在10-15s内快速排掉浸泡用水；60-70s内底板缓慢供水同时顶
部喷洒冲洗加开N
2
鼓泡；维持10s的溢流排水；2次QDR（有条件的可以外加水
枪手动喷洗）。

1.
前处理问题检测及预防前处理在整个化镀工艺中占有十分重要的地位，其
好坏直接关系到后续镍钯金的成败。

对于细间距的精密图形线路，工艺窗口控制
不好更易于出现漏镀（NONPLATING)和过镀(OVERPLATING)的极端现象出现。

有目的检测预防可能问题的发生，是避免关键缺陷的有效手段。

本次铜基线
条在上述前处理后，能完全被一层灰色的活化Pd层覆盖，很具有可观察识别性，可有效避免漏镀。

但过高的浓度和较长的反应时间都会造成线条处Pd媒介的过
度活化，甚至诱发后续镍沉积的外扩现象，所以建议严格执行上述前处理的要求。

2.2.2 Electroless plating Ni/P
（1）化学镀镍反应原理
化学镀镍是通过在Pd 的催化作用下，NaH 2PO 2水解生成原子态H ，同时H 原子在Pd 催化作用下将Ni 2+
还原为单质Ni ，然后在自催化反应下继续沉积Ni/P 的过程。

H 2PO 2-+H 2O→H +
+HPO 32++2H Ni 2+
+2H→Ni↓+2H +
H 2PO 2-+H→P↓+OH -+H 2O H 2PO 2-+H 2O→H 2↑+H +
+HPO 32- （2）化学镀镍操作工艺
本工艺采用的是Schlotter 酸性中磷化镀镍，得到的是含磷8%左右的半光亮镀层。

镀镍工艺如下表：其中硫酸镍作为主盐提供反应所需的镍离子，浓度控制在6-8g/l;还原剂提供反应所需的H 态原子，浓度控制在25-35ml/l ，并且通过与主盐浓度比控制沉积速率；添加剂补充反应消耗的其他微剂量；稳定剂遮掩催化活性核心，防止镀液分解。

细间距铜基电路对稳定剂的要求更高，必须控制在较高浓度0.3-0.4ml/l 范围内。

表 Ni/P Plating Process Control
(3)针对铜基细间距线条化镀易发生镍外扩的原因，经过反复的实验验证是镍稳定性差，镍沉积选择性弱导致。

对上述问题，对镍的稳定剂进行了DOE验证，其中IZM小芯片是针对稳定剂添加所制备的，根据被镀IZM数量添加稳定剂量（stabilizer）。

在试验中，IZM数量控制在27-36，稳定剂添加量控制在300-400ml之间能解决镍外扩问题，而过低的添加量（0-200ml）易发生over plating，太高的添加量（500ml以上）又会导致non plating；根据结果分析，稳定剂浓度控制在0.3-0.4ml/l（添加量300-400ml）时，游离态的镍具有较强的沉积选择性和稳定性，只有Pd催化的较高活性点才被选择被镍沉积，并稳定在活性中心点处即线条周围沉积，从而避免镍外扩发生，最终有效的解决了镍外扩问题。

2.2.3 Electroless plating Pd
（1）反应机理
氧化还原型钯反应机理与化学镀镍相似，开始时会发生镍钯间的置换反应，然后发生氧化还原沉积到一定厚度的Pd层。

Pd2++Ni→Ni2++Pd
H
2PO2-+H
2
O+Pd2+→HPO32-+H
2
+Pd+H
（2）钯操控工艺如表所示
表 Pd plating process
（3）化镀钯层功能作用：相比较化镀镍金，钯层的增加具有更优异的功能•
作为镍金之间的过渡层，能防止金镍之间的相互迁移，防止黑镍现象
•
作为一层阻挡层，防止铜迁移到金层引起焊锡性差问题
•
优良的打金线结合性
•
低于相同金厚度的成本
2.2.4 Immersion gold
（1）亚硫酸根型化学浸金属于置换反应，金与钯置换，反应方程式如下：
2Au++Pd→2Au+Pd2+
一般置换反应完成后镀金就会基本结束，但由于金层疏松，反应会很缓慢的
继续进行。

（2）亚硫酸根型镀金液钯上镀厚金可行性研究实验
亚硫酸根型镀金液非利用强还原剂不断还原金来达到金厚度的溶液，但也可
利用合适的工艺条件来尽量使钯镀上一定厚度(0.1-0.25um)的金，满足客户的特
殊需求。

为实现这一需求，特对亚硫酸根型镀金液钯上镀金进行了工艺条件的可
行性研究实验，实验内容如下：
实验条件如下表：1/2/3为一组，在金浓度温度固定条件下，研究浸金时间
对镀金厚度的影响，找出最优时间范围；4/5/6为一组，在浓度时间固定条件下，研究温度对镀金厚度的影响，找出最优温度范围；7/8/9为一组，在温度时间固
定条件下，研究浓度对镀金厚度的影响，找出最优浓度范围。

每一条件固定位置
处测量10颗金厚度数据，每组30颗数据，取其最大最小平均值作出曲线图。

金厚度测量采用的是日立X-ray荧光测厚仪FT150系列，各组数据如表7所示：（各条件数据只显示了最大最小平均值中的一组代表）：
金厚度测量数据
（3）实验结果分析
镀金时间对金高度的影响（图5）：镀金时间在1200s以下金厚度大约
0.07um；从1200s到1500s随着时间的延长，镀金厚度从最大值，最小值，平均
值都较快增长到0.1um以上；随后随着时间的继续延长，镀金厚度增长缓慢，而
且过长的浸金时间会对光刻胶造成腐蚀，不利于工艺的稳定；这里工艺最终选择1500s-1800s。

镀金药水温度对金厚度的影响（图6）：可以看到一定范围内温度的升高增
加了分子反应能量，镀金厚度也出现迅速的升高；尤其是45到55C范围内金厚
度无论最大最小平均值都有显著的提高；55到65C范围内金厚度增长幅度缓慢；65C以上曲线基本趋于直线，表示基本不增长了；过低的温度，不利于反应进行，而过高的温度溶液挥发较快，不利于溶液的稳定，这里工艺选择55-60C，金厚度
基本维持在0.1-0.2um。

金浓度对镀金高度的影响（图7）：可以明显看到金浓度对金厚度影响有着
很大的差别。

在金浓度小于1.6g/l时金厚度无明显增长；大于1.6g/l时金厚度
有着显著的提高；综合配置金槽成本考虑,工艺选用1.7-2.0g/l之间。

实际生产阶段，为降低生产成本，稳定镀金液，尽量延长镀液的有效使用时间，循环搅拌及连续过滤是必不可少的。

按上述浓度配方，镀液的PH一般在6.9
左右，在大量生产数据的支撑下，溶液PH可上下浮动0.2，即6.7-7.1
综上，亚硫酸根型镀金液钯上镀（0.1-0.2um）金的工艺控制窗口如下表：
表 Immersion gold process control
1.
化镀工艺过程遇到的常见缺陷及原因分析和处理方法
针对本次精密细间距图形电路，列表了化镀过程中出现的常见缺陷及分析处理方法。

表铜基细间距化镀缺陷及原因分析和处理方法
金面发白
1）镀金厚度不
足
提高镀金温度
增加Au浓度
适当延长镀金时间
2）镀金液PH偏
高或偏低
调节金液PH
4结论
化学镍钯金表面处理技术具有优异的可焊性和引线键合等综合性能，通过对上述铜基精密细间距图形电路的化镀镍钯金处理工艺，为细间距的化镀工艺提供了一种可靠的方法，也为重布线金属化的表面处理提供了一种思路；同时分析研究了亚硫酸根型镀金液如何尽量上厚金，对生产过程中出现的不良现象给出了一些经验上的建议和处理方法。

参考文献：
1[1] 郑莎、鸥值夫等，化学镀镍镀钯浸金表面处理工艺概述及发展前景分析[J].印制电路信息，2009(S1):231-238.
8。