直接化學(xué)鍍鎳工藝方法對(duì)鎳層表面形態(tài)的影響

 近年來(lái)，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(hào)線間距微細(xì)化的發(fā)展。多腿化的趨勢(shì)使QFP(Quad Flat Package)構(gòu)造盤(pán)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(kāi)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?；瘜W(xué)鍍金或電鍍金的工藝方法比較而言，對(duì)于獨(dú)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(diǎn)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(méi)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(shí)施化學(xué)鍍鎳的工藝程序。但是，對(duì)于高密度配線的基板該工藝方法是否適用，還要看對(duì)鈀催化劑的選擇，因?yàn)楫?dāng)基板浸入催化溶液時(shí)，導(dǎo)體圖形間的樹(shù)脂上也會(huì)同時(shí)吸附，化學(xué)鍍鎳過(guò)程中會(huì)沉積在圖形間的樹(shù)脂上面，這樣一來(lái)就會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題。

    這就需要解決選擇性析出的技術(shù)問(wèn)題，銅導(dǎo)體經(jīng)過(guò)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(guò)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(qiáng)度就比較低。其主要原因是由鎳粒子粒界被腐蝕，鎳層中的富磷層形成以及錫-鎳-磷合金層的形成?，F(xiàn)在的問(wèn)題是對(duì)鎳層中含磷量的含有率控制，使過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生局部腐蝕，具有適用性的工藝對(duì)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(huì)直接影響焊料的焊接強(qiáng)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(shí)驗(yàn)方法

    2.1鍍覆處理工藝條件

    首先是對(duì)基板選擇性析出的評(píng)價(jià)，覆銅箔層壓板上的表面試驗(yàn)圖形形成。試驗(yàn)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(lái)的工藝方法(工藝過(guò)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(shí)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(lái)稱之直接化學(xué)鍍鎳。鎳沉積用的鍍液為含有六個(gè)水的硫酸鎳(0.9g/dm2)，DMAB(3.0g/dm2)和少量的添加劑，溫度為45℃、實(shí)施1分鐘的處理。在這個(gè)工藝中，化學(xué)鍍鎳層的厚度約5μm?；瘜W(xué)鍍鎳液的組成和操作條件見(jiàn)表1所示?；瘜W(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(guò)上述試驗(yàn)，將鍍鎳后的基板，用放大鏡來(lái)觀察基板上銅導(dǎo)體圖形間樹(shù)脂上2.2焊料球焊接強(qiáng)度測(cè)定

    焊料球焊接強(qiáng)度的試驗(yàn)基板，基板厚為0.6mm在樹(shù)脂層上焊盤(pán)直徑為0.65mm，節(jié)距為1.27mm。基板表面焊盤(pán)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(qiáng)度的測(cè)定是采用焊料球焊接強(qiáng)度進(jìn)行拉脫強(qiáng)度試驗(yàn)和部分焊料球焊接剪切強(qiáng)度試驗(yàn)并行進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)定。焊盤(pán)的直徑0.76mm，焊料球成分(Sn63%、Pb37%)RMA(RosinMildActivated)，使用助熔劑對(duì)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(cè)定裝置用型熔合線測(cè)試儀5000，焊料球焊接拉伸試驗(yàn)的試驗(yàn)速度300μm/s、焊料球焊接的剪切試驗(yàn)其試驗(yàn)速度為200μm/s來(lái)測(cè)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(guò)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(yàn)基板與2.1試驗(yàn)條件采用的是同樣的，進(jìn)行化學(xué)鍍鎳，并使用試驗(yàn)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(cè)定

    基板在鍍液中浸漬期間電位會(huì)發(fā)生變化，需要進(jìn)行電位測(cè)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(yàn)板同樣要經(jīng)過(guò)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(shí)間的變化，對(duì)其處的電位進(jìn)行測(cè)定。測(cè)定裝置用電氣化學(xué)測(cè)定裝置HZ3000(日本北斗電工株式會(huì)社制造)。

    三、結(jié)果和觀察

    3.1選擇性析出的比較

    對(duì)PGA基板上的圖形經(jīng)過(guò)催化程序后的化學(xué)鍍鎳，化學(xué)鍍鎳完成后對(duì)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(shù)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(shí)，化學(xué)鍍鎳處理過(guò)程中膜層形成的狀態(tài)變化被確認(rèn)。各個(gè)工藝程序中化學(xué)鍍鎳前表面狀態(tài)(電鍍時(shí)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(kuò)大SEM照片如圖1所示。鈀作為催化劑工藝程序，鍍覆時(shí)間5分鐘以上的情況，圖形間樹(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(duì)于狹窄節(jié)距、配線的圖形的適用有效性需要進(jìn)一步來(lái)確認(rèn)。

    3.2焊接強(qiáng)度的比較

    評(píng)價(jià)基板表面盤(pán)的焊接強(qiáng)度，根據(jù)2種類(lèi)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(pán)上，再進(jìn)行拉脫強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)定。 

    兩種強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2所示。其中焊料球的剪切強(qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果其平均值強(qiáng)度要差一些。但是，經(jīng)過(guò)熱處理后焊料球的拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，直接鍍覆工藝方法適用于焊接的拉脫強(qiáng)度，此時(shí)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(pán)的焊接強(qiáng)度良好，焊接封裝部分的表面處理方法是有效的。

的析出情況。

 3.3化學(xué)鍍鎳層的狀態(tài)

    上述采用了不同的工藝方法，焊接強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果也不相同。而焊接強(qiáng)度發(fā)生差別的要因應(yīng)仔細(xì)研究。

    鍍后的評(píng)價(jià)基板表面金層被溶解，化學(xué)鍍鎳層露出，其表面形態(tài)用SEM進(jìn)行觀察。觀察的結(jié)果見(jiàn)圖3所示。在采用鈀作為催化劑時(shí)，化學(xué)鍍鎳層在盤(pán)直徑上沉積厚度約4-5μm的類(lèi)似球狀析出，見(jiàn)圖3-a所示。采用直接鍍覆工藝方法適用的情況下，直徑為2μm程度的均勻的微小的類(lèi)似球狀構(gòu)成的鍍層表面形態(tài)見(jiàn)圖3-b所示。

    置換金的處理，鎳會(huì)在處理過(guò)程中產(chǎn)生溶解，以使金沉積析出，而鎳層的表層溶出的磷不會(huì)很多，還有殘存物，因此，在焊料焊接時(shí)焊接強(qiáng)度差是由于金層與鎳層界面附近的狀態(tài)有關(guān)系，通過(guò)AES分析是鎳金層在深的方向觀察到的情況。AES分析的深的曲線圖見(jiàn)圖4所示。

    金鍍層和鎳層界面附近(焊接時(shí)間約5分鐘)鍍層深度方向氧的檢出峰值比較。使用鈀作催化劑的工藝方法所獲得的鍍層檢出的氧較多，而采用直接鍍覆的工藝方法鎳的氧化反應(yīng)就可以。還有，僅在金鎳層界面部分會(huì)產(chǎn)生富磷層。所以，適用于鈀作催化劑的工藝方法情況下，金鍍層中的過(guò)剩鎳的溶解是由鎳表層產(chǎn)生氧化反應(yīng)，局部腐蝕鎳的表面同時(shí)也就能判斷金表鎳表面的析出。

    其次，鍍覆工藝方法的不同，化學(xué)鍍鎳的鍍層的形態(tài)也會(huì)受到影響，鍍覆初期階段表面形態(tài)經(jīng)過(guò)AFM的比較和觀察，就能判斷表面形態(tài)是不同的，試驗(yàn)基板的銅是0.5μm，是使用蒸發(fā)的方法在晶片基板上形成的。然后進(jìn)行化學(xué)鍍鎳，鍍鎳前、3秒后和5秒后的鍍層的表面形態(tài)，使用觀察3μm×3μm范圍內(nèi)的結(jié)果見(jiàn)圖5所示。

    使用鈀作為催化劑的工藝條件下，催化處理后表面狀態(tài)，觀察直徑為50-100nm表面突起的比較多，而這些凸起的鎳鍍層會(huì)繼續(xù)成長(zhǎng)，表面的粗糙度增加，并且觀察到未處理的部分基板平均表面粗糙度Ra=2.58nm與鍍5秒后的鍍層表面粗糙度比Ra=7.16nm而增加。而采用直接化學(xué)鍍鎳的工藝方法而產(chǎn)生的突起鍍5秒后其Ra=3.26nm。所以采取直接鍍覆的工藝方法，鍍覆的初期鎳層形成薄而均勻的表面。

在采用鈀作催化劑的工藝方法的條件下，表面吸附著的鈀核形成中心，鎳?yán)^續(xù)析出，鎳層的表面粗糙度增加。而采用直接化學(xué)鍍的工藝方法的條件下，以DMAB的還原作用使鎳均勻的在銅導(dǎo)體表面析出，化學(xué)鍍鎳過(guò)程中的集中化學(xué)反應(yīng)形成平滑而均勻的鎳層。

    適用于以鈀作催化劑的情況下，化學(xué)鍍鎳的初期析出的表面就比較粗糙，鍍鎳層表面形成類(lèi)似球狀的情況比較多。化學(xué)鍍鎳的過(guò)程中，這些類(lèi)似球狀的粒界面進(jìn)行鎳的氧化反應(yīng)，過(guò)剩的鎳就會(huì)溶解和腐蝕。由于鎳層表面的腐蝕進(jìn)行，焊料焊接性能惡化，焊接的接合強(qiáng)度降低。而對(duì)于直接采用直接化學(xué)鍍工藝方法，形成致密而平滑的鎳層，而過(guò)剩的鎳粒界面的腐蝕受到抑制，因此其焊料焊接的接合強(qiáng)度增加。

    3.4浸漬電位的變化

    用鈀作催化劑的工藝方法和直接化學(xué)鍍工藝方法在初期階段鎳的析出狀態(tài)是不同的?；瘜W(xué)鍍的初期階段，電極表面電位的發(fā)生是不相同的。銅板經(jīng)過(guò)兩種工藝方法處理后，在化學(xué)鍍鎳溶液中浸漬，浸漬時(shí)間內(nèi)對(duì)電位進(jìn)行測(cè)定。測(cè)量的結(jié)果見(jiàn)圖6所示。

    對(duì)于使用鈀作催化劑的情況下，其電位會(huì)徐徐降低，由于電位的變化引起鎳的析出。這是由于電極的表面有鈀核，在周邊的鎳會(huì)開(kāi)始優(yōu)先析出，由于反應(yīng)急劇鎳不斷析出覆蓋全部。

    直接化學(xué)鍍的情況下，鎳核的析出，浸漬初期的電位要比用鈀催化劑要平穩(wěn)的多。而且鎳的析出電位相差的少，析出的鎳層表面平滑。

    由于浸漬電位的變化，鎳的初期析出狀態(tài)是不同的，通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步確定之。

    四、結(jié)論

    通過(guò)試驗(yàn)焊料焊接用的基板對(duì)采用直接化學(xué)鍍工藝方法的有效性并獲得以下結(jié)果：

    ①采用DMAB作為直接化學(xué)鍍鎳液的還原劑，配線間樹(shù)脂層上析出受到抑制，因此微細(xì)配線基板進(jìn)行選擇性析出性能良好。

    ②直接化學(xué)鍍工藝方法與用鈀作催化處理的工藝方法形成的鍍層的基板相比較，焊料焊接強(qiáng)度獲得改善。

    ③用鈀作為催化劑情況下，鈀形成的催化中心的析出其結(jié)晶成長(zhǎng)的不均一而形成比較多的類(lèi)似球狀的結(jié)構(gòu)鍍層。而采用直接化學(xué)鍍工藝方法的情況下，銅導(dǎo)體表面形成均勻的薄鎳層，所形成的鍍層表面平滑。因此兩種工藝方法初期析出狀態(tài)的不同，而直接影響焊料焊接性能，實(shí)際選擇時(shí)需要仔細(xì)考慮。