铜电镀方式对镍钯金表面打线键合性能的影响

张钰松 姚晓建 钮荣杰 黄达武 曾文亮

（广州美维电子有限公司，广东 广州 510663）

0 引言

印制电路板（printed circuit board，PCB）面涂饰镍/钯/金工艺最早出现于20 世纪90 年代。早期由于焊料中含有铅，而钯与铅不兼容，易影响Ni/Sn 均匀性，使得镍/钯/金工艺发展受到制约［1］。2006 年，欧盟颁布RoHS 指令，要求使用无铅焊料，促使镍/钯/金工艺被科研人员重点关注并研究［2］。陈先明等［3］研究将化学镀镍钯浸金（ENEPIG）运用到封装基板的表面处理，发现其可焊性与引线键合能力优于电镀镍金，且满足无铅工艺要求，有望在高端封装基板得到广泛运用；李志丹等［4］对ENEPIG 在挠性电路板中展开研究，通过耐高温、盐雾、可焊性等测试，发现ENEPIG 能够避免化学镍/金（ENIG）表面处理中存在的黑盘失效问题，同时与化学镍/金+有机可焊保护层表面处理相比，其成本降低8%～10%，是一种经济实用的表面处理工艺。

目前，在PCB 行业，金线键合的表面处理方式主要包括电镀镍金和化学镍/钯/金。电镀镍金因金层较厚，导致成本提高，同时影响贴装可焊性，使用范围受限［5］；化学镍/钯/金工艺是在镍缸和金缸间增加一个钯缸，在镍与金镀层之间增加一层钯。钯层能够有效防止镍层腐蚀氧化，保护金层防止被镍污染，使得较薄的金层就能具有良好的键合性能，并可大幅降低成本［6］。

1 PCB测试

1.1 试验材料

本文研究所用PCB 具有键合连接盘设计，相关参数见表1。

1.2 试验方法

制作测试板流程如图1所示。

1.3 试验表征

通过X 射线粉末衍射（x-ray diffraction，XRD）（Miniflex 600，Rigaku，日本）分析不同电镀方式形成的铜面衍射峰强度，并计算织构系数分析晶面取向；通过三维光学轮廓仪（ContourX-200，Bruker，德国）测量金面粗糙度，即轮廓算数平均偏差Ra和轮廓平均高度Rz；通过水滴角测试仪（SDC-1000S，晟鼎，中国）测量金面水、二碘甲烷接触角并计算表面能；通过引线键合机（HB16，TPT，德国）、焊接强度测试仪（DAGE4000 Plus，Nordson，英国）进行金线拉力测试，评价PCB键合性能。

2 结果与讨论

2.1 基铜不同电镀方式铜面晶面取向

XRD 是确定物质结构和种类的基本方法之一，通过XRD 可以获悉材料的主要成分与内部形态结构。在Jade 软件中，通过对不同电镀方式铜面XRD 数据进行分析处理，其结果如图2 所示。由图2 可知，在其布拉格衍射角2θ为43.3°、50.5°和74.3°时，出现3 个主峰，分别对应于铜的（111）、（200）和（220）晶面。根据衍射峰高度可知，垂直连续电镀与水平直流电镀铜的（111）晶面峰强度高于（200）和（220）晶面，而水平脉冲电镀（220）晶面峰强度最高。峰值越高，衍射峰强度越强，表面自由能越低［7-8］。因此，垂直连续电镀与水平直流电镀（111）晶面表面自由能更低，而水平脉冲电镀表现为（220）晶面表面自由能最低。

图2 不同电镀方式基铜XRD

电沉积后铜内部晶粒不稳定，会存在“自退火”过程［9］。铜的各个晶面还会继续生长，导致晶面向某一方向择优取向，通过织构系数（terylene cotton，TC）能够反映晶面的择优取向情况，织构系数表达式为

式中：I（hkl）、I0（hkl）分别为样品铜和标准铜晶面衍射峰强度；n为图谱中衍射峰的数量。织构系数值越大，则表示其择优程度越高。

不同电镀方式的基铜织构系数见表2。由表2可知：采用垂直连续电镀时，基铜T（111）为50.23%，铜面朝（111）晶面高度择优取向；水平直流电镀三者数值相接近，表明水平直流条件下，铜各晶面取向趋向接近，呈无序状态；水平脉冲电镀T（220）为55.70%，此时铜面朝（220）晶面高度择优取向。3种电镀方式得到的铜面晶面取向不同，铜晶面取向间的差异在后续化学镍钯金工艺中，也将对金镀层性能产生影响。

表2 不同电镀方式基铜织构系数

2.2 基铜不同电镀方式金面粗糙度

粗糙度能够反映物体微观表面平整度，粗糙度数值越小，其表面越光滑平整。

Ra又称轮廓算数平均偏差，主要是指在一段取样长度范围内，轮廓上各个点与轮廓中线间距离绝对值的平均值，选取的测试点数量越多，得到的粗糙度数值越精确。Ra的计算公式为

式中：L为取样长度；Hx为轮廓点与轮廓中线间的距离，该中线是轮廓的最小二乘中线。

粗糙度Rz为轮廓平均高度，主要是指在一段取样长度范围内，峰高高度与谷深深度的平均值之和。Rz的计算公式为

式中：Hhi为第i个峰高与轮廓中线的距离；Hli为第i个谷深与轮廓中线的距离［10］。

具有合适粗糙度的金面在键合拉力测试中能够与金线更好地贴合，使键合性能更优异。

基铜不同电镀方式粗糙度测试结果如图3 所示。不同电镀方式间粗糙度数量关系为：垂直连续电镀＜水平直流电镀＜水平脉冲电镀。粗糙度低时，峰高和谷深高度差较小，金面也较平整，键合拉力测试时金线与焊盘结合能够越紧密，PCB键合性能也将更佳。

图3 不同电镀方式金面粗糙度箱线

2.3 基铜不同电镀方式金面表面自由能

为进一步研究基铜不同电镀方式对金面表面自由能的影响，通过水滴角测试仪测试水与二碘甲烷在金面的接触角。当液滴与粗糙的表面接触时，在固体表面能与空气形成接触，形成一种固-液-气界面。Cassie-Baxter模型为

式中：θCA、cosθflat分别为液滴在实际固体表面与理想状态下光滑表面的接触角；fs为固体表面和液滴接触的比例。

基铜不同电镀方式金面水与二碘甲烷的接触角如图4 和图5 所示。由图4、图5 可知，垂直连续电镀水接触角76.843°，低于水平直流电镀和水平脉冲电镀。结合表面粗糙度分析，垂直连续电镀金面粗糙度更小，表面更平整，液滴与金面接触的比例更大，fs的值越大，接触角数值越小，说明固体表面跟液滴接触的比例越高，表面润湿性也越好。二碘甲烷接触角规律与水接触角一致。因此，基铜采用垂直连续电镀得到的金面表面润湿性能最佳。

图4 不同电镀方式水、金面接触角

图5 不同电镀方式二碘甲烷、金面接触角

液体在固体表面黏附，可定义黏附功为

式中：Wa为黏附功；γS为固体表面自由能；γL为液体表面自由能；γSL为固体与液体表面自由能。

Young氏方程为

式中：θCA为固体表面液体接触角。

由式（5）和式（6）可得

同时，黏附功可用两相中各自的极性分量和色散分量来表示，即

由表3 可知，接触角数值越小，润湿性能越优，表面自由能越大。不同电镀方式金表面参数见表4。由表4 可知，基铜电镀为垂直连续电镀的金面表面自由能为42.864 mN/m，得到的金面表面能最大，润湿性能最优。金面表面自由能越大，润湿性能越优，金线拉力测试时，由于金表面更优的润湿性，金线与连接盘结合能够更紧密，PCB键合性能也将更佳。

表3 水、二碘甲烷表面参数

表4 不同电镀方式金表面参数

2.4 基铜不同电镀方式键合拉力

在PCB 中，引线键合技术主要体现在将PCB板面的芯片封装（chip on board，COB）位置与芯片引脚通过打线相连接。其原理为，在外部施加一定的压力或使用超声频率振动等方式，将PCB表面氧化膜去除，当金属丝与PCB 表面对应焊盘接触时能产生微观焊点。随着焊点面积增大，界面间存在的微小孔洞消失，在高温条件下，内部金属原子将发生相互扩散，形成宏观焊点［11-12］。

设计打线拉力测试，每块PCB 测试10 组数据，测试结果见表5 和图6。由表5 和图6 可知，基铜采用垂直连续电镀时，打线拉力最大；当基铜电镀方式转变为水平直流时，拉力值下降；当基铜电镀方式为水平脉冲时，拉力值小值。垂直连续电镀整体数据集中度最高、平均值最高、键合性能最佳。

图6 不同电镀方式金线拉力测试

表5 不同电镀方式金线拉力测试结果

3 结语

键合是芯片与封装基板能否实现互联的重要技术指标之一，其自身受基铜镀层、金面表面清洁度、金面粗糙、镍钯金镀层厚度度等因素影响。本文通过电镀方式改变基层铜镀层铜晶粒状态，从而影响镍/钯/金工艺中金镀层性能，进而影响键合性能。基铜采用不同电镀方式，会改变铜晶粒衍射峰强度和晶面择优取向。垂直连续电镀铜面（111）衍射峰最强，自退火后铜面朝（111）晶面择优取向；水平直流电镀铜晶面取向接近无序；水平脉冲铜面（220）衍射峰最强，铜面朝（220）晶面择优取向。（111）晶面择优取向的铜镀层得到的金面粗糙度Ra为0.227 μm，Rz为2.046 μm，低于水平直流和水平脉冲。基铜为垂直连续电镀的金面表面自由能42.864 mN/m，高于水平直流和水平脉冲。在打线键合时，低粗糙度高表面能的金面能够与金线贴合更紧密，焊接过程形成更牢固的焊点，得到的拉力数值更大，键合性能更优。垂直连续电镀金线拉力平均值达到9.17 g，分别比水平直流电镀、水平脉冲电镀提高12.8%和34.1%。