PCB镍钯金工艺技术

PCB镍钯金技术

电子产品一直趋向体积细小及轻巧，同时包含更多功能而又有更快速的运作效率。为了达到以上要求，电子封装工业便发展出多样化及先进的封装技术及方法，使之能在同一块线路版上增加集成电路(IC)的密度，数量及种类。增加封装及连接密度推动封装方法从通孔技术(THT)到面装配技术（SMT）的演化，它导致了更进一步的应用打线接合的方法(Wire bonding)。缩小了的连接线间距和应用芯片尺寸封装技术(CSP)，使得装置的密度增大，而多芯片组件(MCM)及系统级封装技术(SiP)使得在同一芯片上嵌入更多功能从不可能变成现实。至今，当半导体工业多年来从缩小线宽来致力于增进装置的性能时，很少有涉及这样的想法，也就是在一个电子系统中，装置间应该通过包含这个系统的封装来传递信息。大量的I/O需求及讯号传送质量已成为半导体工业重要考虑的因素，无论在IC内部的连接或把装置封装在线路版上，为了达到可靠的连接，封装过程的要求及线路版最终表面处理技术同样重要。本文章描述影响连接可靠性的主要因素，尤其侧重在打金线接合的应用中表面处理的性能。

表面处理打线接合的选择

虽然电镀镍金能提供优良的打金线接合的性能，它有着三大不足之处，而每一不足之处都阻碍着它在领先领域中的应用。

较厚的金层厚度要求使得生产成本上升。

在通常所用的厚的金层情况下，由于容易产生脆弱的锡金金属合金化合物(IMC)，焊点之可靠性便下降。而为了增加焊点之可靠性，可在需要焊锡的地方使用不同的表面处理，然而却会造成生产成本上升。

电镀工艺要求使用导线连通每个线路，这样就限制了封装载板的最高线路密度。因为这些限制，使用化学镀的优势表露出来。化学镀的技术包括化学镀镍浸金(ENIG)，化学镀镍化学镀金(ENEG)及化学镀镍钯浸金(ENEPIG)。

在这三种选择中，ENIG是基本上不用考虑的，因为它不具备提供高可靠性打金线接合的工艺条件（尽管它被用在不重要的消费产品的应用中），而ENEG 具有和电镀镍金同样高的生产成本，在制程方面亦充满了复杂性的挑战。

当化学镀镍钯浸金（ENEPIG）在90年代末出现时，但因为2000年时，钯金属价格被炒卖到不合理的高位，使ENEPIG在市场上的接受延迟了。但是，ENEPIG能够解决很多新封装的可靠性问题及能够符合ROHS的要求，因此在近年再被市场观注。

除了在封装可靠性的优势上， ENEPIG的成本则是另一优势。当近年金价上升超过US$800/oz，要求厚金电镀的电子产品便很难控制成本。而钯金属的价格(US$300/oz)则相对于金价来说远低于一半，所以用钯代替金的优势便显露出来。

表面处理的比较

在现在的市场，适合用在线路板上细小引脚的QFP/BGA装置，主要有4种无铅表面处理

化学浸锡(Immersion Tin)

化学浸银(Immersion Silver)

有机焊锡保护剂(OSP)

化学镀镍浸金(ENIG)

下表列举出这4种表面处理跟ENEPIG的比较。在这4种表面处理中，没有一种表面处理能满足无铅组装工艺的所有需求，尤其是当考虑到多重再流焊能力、组装前的耐储时间及打线接合能力。相反，ENEPIG却有优良耐储时间，焊点可靠度，打线接合能力和能够作为按键触碰表面，所以它的优势便显示出来。而且在置换金的沉积反应中，化学镀钯层会保护镍层防止它被交置换金过度腐蚀。

不同表面处理性能之比较

当考虑到表面处理在不同组装方法上的表现，ENEPIG能够对应和满足多种不同组装的要求。

表 2 –不同表面处理对不同组装方法之表现

打金线接合可靠性的比较

在相同打线接合的条件下(用第二焊点拉力测试2nd bond pull test)，ENEPIG 显现出跟电镀镍金相约的打金线接合可靠性。

ENEPIG样本抗拉力测试中，观察到主要的打线接合失效模式是断裂在金线及十分之少量的在颈状部位。没有金线不接合和接合点断的情况发生

结论–使用ENEPIG的好处:

ENEPIG最重要的优点是同时间有优良的锡焊可靠性及打线接合可靠性，优点细列举如下:

1. 防止“黑镍问题”的发生–没有置换金攻击镍的表面做成晶粒边界腐蚀现象

2. 化学镀钯会作为阻挡层，不会有铜迁移至金层的问题出现而引起焊锡性焊锡差

3. 化学镀钯层会完全溶解在焊料之中，在合金界面上不会有高磷层的出现。同时当化学镀钯溶解后会露出一层新的化学镀镍层用来生成良好的镍锡合金

4. 能抵挡多次无铅再流焊循环

5. 有优良的打金线结合性

6. 大体上说，总体的生产成本比电镀镍金及化学镀镍化学镀金为低