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一、前言
近年來，隨著半導(dǎo)體輸入端子數(shù)量的增加，基板向側(cè)面端子的多腿化及信號線間距微細(xì)化的發(fā)展。多腿化的趨勢使QFP(Quad Flat Package)構(gòu)造盤間的節(jié)距狹小化制造的難度增加，特別是面陣列端子(面端子)化的需要，BGA(Ball Grid Array)構(gòu)造的超小型化封裝的開發(fā)。超小型化封裝端子的表面處理的外部引出線需要增加適合的化學(xué)鍍金/化學(xué)鍍鎳。化學(xué)鍍金或電鍍金的工藝方法比較而言，對于獨立的電路圖形上表面處理是適用的，鍍層的厚度可以根據(jù)需要增加，這一點是非常有利的。
通常銅導(dǎo)體圖形是采用以次亞磷酸鹽作還原劑化學(xué)鍍鎳，而銅與次亞磷酸氧化反應(yīng)是沒有催化活化行為的，這就需要采用鈀作為催化劑。該工藝方法就是將基板浸入稀的鈀溶液，當(dāng)銅導(dǎo)體圖形上浸有催化劑鈀后，就可以實施化學(xué)鍍鎳的工藝程序。但是，對于超高密度配線的基板該工藝方法是否適用，還要看對鈀催化劑的選擇，因為當(dāng)基板浸入催化溶液時，導(dǎo)體圖形間的樹脂上也會同時吸附，化學(xué)鍍鎳過程中會沉積在圖形間的樹脂上面，這樣一來就會產(chǎn)生質(zhì)量問題。
這就需要解決選擇性析出的技術(shù)問題，銅導(dǎo)體經(jīng)過催化活化，采用還原劑為DMAB(二甲胺化硼)和稀的化學(xué)鍍鎳溶液，確認(rèn)其選擇性沉積是有效的。
另外，經(jīng)過化學(xué)鍍鎳+金的電鍍處理的基板，與電鍍法鍍出的鍍層相比，其焊接強度就比較低。其主要原因是由鎳粒子粒界被腐蝕變態(tài)，鎳層中的富磷層形成以及錫-鎳-磷合金層的形成。現(xiàn)在的問題是對鎳層中含磷量的含有率控制，使過程中不會產(chǎn)生局部腐蝕，具有適用性的工藝對策是有效的。
研究表明，化學(xué)鍍鎳層表面形態(tài)即析出形態(tài)，是受催化活化處理的影響而變化，因此也就會直接影響焊料的焊接強度。所以，提出使用鈀催化活化而不選擇鎳的析出程序的有效性。
二、實驗方法
2.1 鍍覆處理工藝條件
首先是對基板選擇性析出的評價，覆銅箔層壓板上的表面試驗圖形形成。試驗用的PGA(Pin Grid Array)基板(板厚度為0.4mm、導(dǎo)線寬度為100μm、線間距為100μm、導(dǎo)體厚度為9μm)。根據(jù)基板表面狀態(tài)，進(jìn)行前處理，在65℃堿液中處理1分鐘，在室溫條件下進(jìn)行酸活化1分鐘。然后采用兩種工藝處理方法進(jìn)行化學(xué)鍍鎳。一種工藝方法，銅導(dǎo)體經(jīng)催化處理后上面附有催化物鈀，再進(jìn)行化學(xué)鍍鎳，這是原來的工藝方法(工藝過程中含有催化活化一步);另一種工藝方法，所使用的鈀催化活化處理液中含有氯化鈀(0.05g/dm2)和少量絡(luò)合劑，溫度為25℃，處理1分鐘然后實施化學(xué)鍍鎳。此鍍液采用DMAB為還原劑和稀的化學(xué)鍍鎳溶液，于是鎳沉積在銅導(dǎo)體圖形上形成均勻的鎳層。這是靠自身的催化活化作用沉積鎳。此種工藝方法后來稱之直接化學(xué)鍍鎳。鎳沉積用的鍍液為含有六個水的硫酸鎳(0.9g/dm2)，DMAB(3.0g/dm2)和少量的添加劑，溫度為45℃、實施1分鐘的處理。在這個工藝中，化學(xué)鍍鎳層的厚度約5μm。化學(xué)鍍鎳液的組成和操作條件見表1所示。化學(xué)鍍鎳溶液中，使用次亞磷酸鈉為還原劑，用硫酸和氨水調(diào)節(jié)鍍液的pH值到5.5。
通過上述試驗，將鍍鎳后的基板，用放大鏡來觀察基板上銅導(dǎo)體圖形間樹脂上的析出情況。
2.2 焊料球焊接強度測定
焊料球焊接強度的試驗基板，基板厚為0.6mm在樹脂層上焊盤直徑為0.65mm，節(jié)距為1.27mm。基板表面焊盤的處理工藝化學(xué)鍍鎳條件與上述2.1規(guī)定的工藝條件相同，然后再在氰酸系化學(xué)鍍金溶液中鍍金厚度為0.05μm。化學(xué)鍍金溶液氰化金(1)鉀、檸檬酸鉀和EDTA鋼，pH值6.0、鍍液溫度為85℃工藝條件下，鍍5分鐘。
表1化學(xué)鍍鎳液的組成和操作條件
焊接強度的測定是采用焊料球焊接強度進(jìn)行拉脫強度試驗和部分焊料球焊接剪切強度試驗并行進(jìn)行強度測定。焊盤的直徑0.76mm，焊料球成分(Sn63%、Pb37%)RMA(RosinMildActivated)，使用助熔劑對焊接處進(jìn)行活化處理以提高焊接可靠性，焊料球焊接的工藝條件是預(yù)熱溫度150℃，加熱溫度230℃。此后，測定裝置用萬能型熔合線測試儀5000，焊料球焊接拉伸試驗的試驗速度300μm/s、焊料球焊接的剪切試驗其試驗速度為200μm/s來測定。
2.3鍍層的表面狀態(tài)觀察
觀察基板表面鍍層的形態(tài)，用的是PGA基板和經(jīng)過蒸發(fā)形成的0.5μm厚的銅膜的基板。從PGA基板表面所觀察到的呈現(xiàn)出凹凸不平，微小的表面形態(tài)和所觀察到的膜片基板表面是不同的。試驗基板與2.1試驗條件采用的是同樣的，進(jìn)行化學(xué)鍍鎳，并使用試驗樣品進(jìn)行觀察。鍍層的表面狀態(tài)采用掃描電子顯微鏡(SEM)和原子結(jié)構(gòu)顯微鏡(AFM)進(jìn)行觀察。另外，鍍層組成分析采用俄歇電子分光法(AES)。
2.4浸漬電位的測定
基板在鍍液中浸漬期間電位會發(fā)生變化，需要進(jìn)行電位測定。作用極的銅板電極，參照電極用銀-氯化銀電極。用作作用極的試驗板同樣要經(jīng)過堿清潔處理、酸性活化，催化液處理和含有DMAB作為還原劑的稀的化學(xué)鍍鎳液內(nèi)進(jìn)行化學(xué)鍍鎳。此后，作用極在化學(xué)鍍鎳溶液內(nèi)浸漬，隨著浸漬時間的變化，對其處的電位進(jìn)行測定。測定裝置用電氣化學(xué)測定裝置HZ3000(日本北斗電工株式會社制造)。
三、結(jié)果和觀察
3.1選擇性析出的比較
對PGA基板上的圖形經(jīng)過催化程序后的化學(xué)鍍鎳，化學(xué)鍍鎳完成后對其表面進(jìn)行觀察。
使用鈀催化液工藝方法條件下，觀察配線間的環(huán)氧樹脂上鎳沉積析出的情況。直接電鍍工藝方法適用的情況下，觀察圖形間鎳析出的的情況。同時，化學(xué)鍍鎳處理過程中膜層形成的狀態(tài)變化被確認(rèn)。各個工藝程序中化學(xué)鍍鎳前表面狀態(tài)(電鍍時間為零)和0.5、1.0、5.0、30.0分鐘化學(xué)鍍鎳后，端子的側(cè)面擴大SEM照片如圖1所示。鈀作為催化劑工藝程序，鍍覆時間5分鐘以上的情況，圖形間樹脂上鎳的析出觀察并確認(rèn)。這是由于銅圖形間的環(huán)氧樹脂吸附著鈀核，于是與化學(xué)鍍鎳液起反應(yīng)而引起的。
另一方面，采用直接鍍覆工藝方法，觀察銅圖形間的析出。直接鍍覆工藝方法，采用的是DMAB進(jìn)行氧化還原反應(yīng)。它是在鎳核上的形成，而不是在銅上進(jìn)行，還要考慮鎳核在樹脂上的存在。后續(xù)化學(xué)鍍鎳工序，使銅圖形上選擇性成膜層，樹脂上的析出的發(fā)生也應(yīng)該考慮到。所以，直接電鍍工藝方法，對于狹窄節(jié)距、配線的圖形的適用有效性需要進(jìn)一步來確認(rèn)。
3.2焊接強度的比較
評價基板表面盤的焊接強度，根據(jù)2種類型化學(xué)鍍鎳溶液，鍍覆厚度約5μm，然后再在上面化學(xué)置換鍍金，金層厚度為0.05μm。此后，將焊料球焊接在基板表面的盤上，再進(jìn)行拉脫強度和剪切強度試驗測定。
兩種強度測試結(jié)果見圖2所示。其中焊料球的剪切強度試驗的結(jié)果其平均值強度要差一些。但是，經(jīng)過熱處理后焊料球的拉伸強度試驗數(shù)據(jù)證明，直接鍍覆工藝方法適用于焊接的拉脫強度，此時的用的鈀催化液濃度約高13%。
從以上結(jié)果，證明采用直接電鍍工藝方法情況下，焊料與基板上盤的焊接強度良好，焊接封裝部分的表面處理方法是有效的。
