随着电子封装系统集成度逐渐升高及组装工艺多样化的发展趋势，适应无铅焊料的化学镀镍镀钯浸金(ENEPIG)表面处理工艺恰好能够满足封装基板上不同类型的元件和不 同组装工艺的要求，因此ENEPIG正成为一种适用于丨C封装基板和精细线路PCB的表面处 理工艺。ENEPIG工艺具有增加布线密度、减小元件尺寸、装配及封装的可靠性高、成 本较低等优点，近年来受到广泛关注。文章基于对化学镍钯金反应机理的简介，结合 对镀层基本性能及可靠性方面的分析，综述了ENEPIG表面处理工艺的优势并探讨了其 发展前景。 关键词 镍钯金;化学镀镍镀钯浸金;表面处理;焊接可靠性;金属丝键合 中图分类号：TN41 文献标识码：A 文章编号：1009-0096 (2013) 05-0008-04 化学镍钯金工艺是在传统的化学沉镍金(腿⑴工艺基础上发展起来的’起源于上个世纪80年代[1]，但是由于成本及PCB产品的密度较低等问题造成镍钯金工艺在过去并没有得到实质性的进展和推广。随着电子产品逐渐向高性能、多功能、高 可靠、轻薄小、便携及低成本等发展，为了满足市 场及技术的需求，不仅要求PCB产品必须走向更高 密度的HDI/BUM、刚-挠性板、集成(埋嵌)元件 板和封装(IC)基板等的产品类型，而且要求电子 封装工业必须走向IC封装或系统封装等高密度的系 统封装。在高密度的封装过程中在同一块封装基板 上通常需要进行多种封装工艺，比如通孔插入式封 装(THT)、表面组装技术(SMT)、金属丝键合 (Wire Bonding)方法、倒装芯片焊方法等，这要求 在同一块封装基板上有多种表面涂覆层，但是从生 产实际考虑是不可行的。而采用化学镍钯金这一具 有‘‘万能”镀层美誉的表面处理工艺[2]，此镀层能够 满足多种封装工艺的要求，因此化学镍钯金工艺的 重要性日益体现。 为了满足欧盟RoHS标准规定的对无铅焊接的要 求，以及全球范围内无铅化发展的趋势[3][4]，很多电 子制造企业都在研制无铅电子产品，这为适应无铅 焊料的ENEPIG工艺[5]打开了广阔的应用空间，可以 深信ENEPIG技术将会有很好的发展前景。 2化学镍钯金工艺原理 化学镍钯金相较于化学沉镍金，仅是在镍缸和 金缸之间添加一个钯缸，但根据钯缸内反应的不同 可将化学镍钯金技术可分为两种类型，即还原型镍 钯金(ENEPIG)工艺及置换型镍钯金工艺。前者在 生成钯层时发生氧化还原反应，后者则发生置换反 应。 ENEPIG表面镀层的生长分为3步，分别化学镀 镍、化学镀钯、化学浸金，反应方程式分别如下： 化学镀镍是以次磷酸盐作为还原剂而进行自催 化氧化还原反应，进而在铜面上沉积上一层均匀致 密Ni-P层，反应如式(1): H2PO2.+H2O—HPO/-+H++2H Ni2++2H—N“ +2H+ ⑴ 2H2PO2-+H—HPO32-+H2O+P+H21 (1)化学镀钯的反应机理和化学镀镍的机理相 同，通常采用次磷酸钠+盐酸体系进行氧化还原反应 生成致密的Pd-P层，反应示意图如图1，钯层会直接 沉积在Ni-P层上，钯层比镍层更为致密，可有效阻止 镍腐蚀的发生。 反应方程式如式(2): H2PO2-+H2O—HPO32-+H++2H (2) Pd2++2H—Pd I +2H+ 2H2PO2-+H—HPO32-+H2O+P+H2 t (2)化学浸金属于置换反应，金与镍置换或者 金与钯置换，反应方程式如式(3): 2Au++Pd—2Au+Pd2+或 2Au++Ni—2Au+Ni2+ (3) 其中，当钯层较厚时，则钯层排列致密，只发 生金与钯置换的反应;若钯层较薄，则金液会透过 钯层晶格间隙与镍层接触，金即与钯置换也与镍置 换，会造成钯层与镍层剥离的风险，因此，钯层须 有一定的厚度。 另外，ENIPIG的反应也分为3步：化学镀镍、化 学浸钯和化学浸金，其中化学镀镍与化学浸金的反 应机理与ENEPIG的基本一致，唯一不同的是生成钯 的反应，ENIPIG中化学镀钯为置换反应[6]，反应式如 式(4): Pd2++Ni—Ni2++Pd I (4) 在此置换反应进行过程中，Pd2+会进入Ni的晶格 间隙置换出Ni，造成Ni的腐蚀，而且研究结果表明 随着钯层厚度增大镍腐蚀会加深，进而造成严重的 黑盘问题，存在焊接可靠性风险，ENIPIG工艺在应 用中受到限制，因此本文在此探讨目前备受关注的 ENEPIG工艺。 3 ENEPIG镀层的基本性能 3.1金层的作用及表面致密性 由于金层是为了提高镀层的可焊性和打线能力 的目的而存在的，其浸金的厚度很薄。在无铅焊接 过程中，很薄的金层迅速熔入并分散在熔融的焊料 中。由于焊料中金的重量比超过3°%时，会引起焊点 发脆，影响焊接可靠性。因此，镀金层厚度要加以控制在0.03 |jm~0.15 pm之间。 金面作为ENEPIG镀层最表层的膜，其表面形貌 及致密度决定了镀层的质量及焊接的可靠性。经过 研究发现，ENEPIG的金层具有平整、厚度均匀的表 面结构，而且晶胞排列致密，没有发现微裂缝，金 面晶格结构良好[7P]，如图2所示。 32钯层作用及表面致密性 在化学镍层和浸金层之间加入薄薄的化学钯层 的作用主要有两个方面：(1)阻挡镍的扩散和迁 移，防止黑盘的发生。在焊接时，很薄的金层迅速 熔入焊料后，由于钯的熔点高，在焊接时钯的熔解 速度比金的慢很多，熔融的钯在镍表面会形成一层 阻挡层可防止铜镍金属氧化物的产生，从而改善了 焊接性能。(2)由于硬度较大的钯层存在(钯莫氏 硬度4.75,金莫氏硬度2.50)，可以使金层厚度明显 地减少，这样即可提高焊接点的可靠性，又可获得 较好的耐磨性能和打金线性能，适合应用在高连接 可靠性的产品上，同时可降低成本。 图3 ENEPIG钯面SEM图 多数研究者采用SEM、TEM或FE-SEM微观形貌 表征方法观察分析将金层剥离后钯面结构，研究发 现钯面晶胞致密、平整，无腐蚀产生。由图3可见， 剥离金层后钯面晶胞结构致密，没有发现微裂缝， 晶格结构良好[7][8]。 33镍层作用及表面腐蚀性 镍层主要起焊接作用。在焊接过程中，很薄的 金和钯将相继熔入于焊料中，而裸露和新鲜的镍层便与焊料中的锡形成金属间互化物，形成好的焊接 和可靠性。 将金层、钯层剥离后，借助于表征技术，可以 观察到镍面光亮平整，晶界清晰，晶粒大小均匀， 无腐蚀产生。但是镍层晶界间存在空隙，致密性较 钯层差，因此在镍层上镀上一层致密的钯层，可以 有效的阻挡浸金化学药水对镍面的攻击，避免镍层 黑垫缺陷的产生[7][8]。 4焊接及金属丝键合可靠性 对于电子封装，连接的可靠性一直是终端电子 产品厂商及它们的各级供应商们关心的主要问题。 ENEPIG镀层具有优异的焊接性能及金属丝键合性 能，适用于多种封装工艺，是一种具有广阔应用前 景的表面处理技术，所以其焊接及金属丝键合的可 靠性引起研究者们的广泛关注。 4.1无铅焊接的可靠性研究 如前所述，ENEPIG是一种适用于无铅焊接的表面 处理工艺，目前针对ENEPIG表面处理常采用的无铅焊 料是Sn-Ag-Cu (SAC)焊料，以下以SAC焊料为例，介 绍ENEPIG金属间互化物的形成及焊接可靠性研究。 4.1.1金属间化合物的形成过程 在无铅焊接条件下，由于焊接温度更高、时间 更长，因此产生三元系金属互化物的机率更大。在焊 接过程中，很薄的金层迅速熔入熔融的焊料内，并形 成A^Sn互化物而分散于熔融的焊料中。而裸露的钯 层，由于钯熔融入焊料的速度仅为金的1/65,较缓慢 地熔入焊料而起着‘‘阻挡”作用，即使熔入焊料中， 也会漂浮于焊点表面上，形成一层坚固而稳定的保护 层，保护着焊点(因此氧化慢得多)。而熔融的焊料 与镍则形成Ni3Sn4互化物，由于镍层多孔性，在镍层 与N^Snt互化物界面处会形成(CuNi)6Sn5互化物。 4.1.2 焊接可靠性研究 如前所述，金面与钯面平整致密，镍面无腐蚀 发生，具有较高的焊接可靠性。纪成光等[8]采用扫描 电子显微镜、润湿性、拔/撞锡球和打金线测试等分 析手段比较研究化学镍钯金表面处理和化学镍金表 面处理焊盘的焊接可靠性差异，结果表明化学镍钯 金表面处理相对化学镍金表面处理可有效防止镍腐 蚀(黑盘)缺陷引起的连接可靠性问题。林金堵[9]分 别将ENEPIG产品经过10次Sn-Ag-Cu回流焊和500次 高低温循环以及在150 °C下老化1 000 h后的结果表 明：样品的界面的互化物(IMC)厚度的变化是很小 的，这表示焊接可靠性是不成问题的。 4.2金属丝键合可靠性 金属丝键合(Wire Bonding)，顾名思义是采用 金属丝将两者联接起来。金属丝键合工艺有比表面 贴装技术(SMT)更高的可靠性，且随着系统封装 SIP的封装密度的不断提高，采用金属丝键合的机率 将越来越多，故对其可靠性的研究也成为焦点。 Li等[10]通过实验寻找影响ENEPIG金属丝键合性 能的影响因素，根据SEM、EDS、弯曲试验等测算方 法的分析结果，发现镀层表面的粗糙度对金属丝键 合性能影响不大，而金层的厚度是影响金属丝键合 性能的主要因素，且厚度越大键合性能越好，因此 表明只要通过控制ENEPIG金层厚度达到一定值时， 就能获得较高的键合可靠性。 陈先明等[4]通过对比ENEPIG与电镍金在老化前 与老化后(150 °C老化2h)的键合能力以及抗老化能 力失效分析，结果表明ENEPIG与电镍金表面处理工 艺的键合能力存在显著差异，其中ENEPIG的键合能 力具有显著优势。这说明ENEPIG技术同时具有优于 电镀镍金的引线键合可靠性，适应高可靠性封装基 板的发展。 5 ENEPIG工艺的优势 综上所述，与其他表面处理工艺相比，ENEPIG 工艺的主要优点有： (1) 避免黑盘风险：相比于ENIG，ENEPIG工艺 在镍层和金层间引入了钯层，可有效地阻止镍的扩散 和迁移，避免化学镀镍磷合金的腐蚀，也可有效抑制 镍表层的氧化，防止焊接过程中黑盘缺陷的产生; (2) 镀层长期可靠性：ENEPIG镀层稳定性高， 且老化处理后SEM检测没有明显缺陷产生，表明镀 层在正常使用条件下具有长期可靠性。 (3) 无铅焊接：ENEPIG镀层可与无铅焊料 (Sn-Ag-Cu)形成具有较高的焊接强度的焊接点， 达到有铅(锡/铅)焊料一样的焊接强度，并具有 更高的使用寿命能够满足无铅焊接的要求。 (4) 焊接和金属丝键合可靠性高：十几年的应 用及研究表明，ENEPIG表面处理可获得很好的焊接结合性及金属丝键合性能，可靠性高。 (5) 减小元件尺寸、增加线路密度：由于 ENEPIG工艺同时具有优异的可焊性和金属丝键合性 能，可为电路设计，特别是高密度的电路设计提供了 更高的灵活性与自由度，各种封装工艺的灵活应用可 逐步实现电子元件尺寸的减小及线路密度的增加。 (6) 成本低：钯层的引入可大大降低金层的厚 度，而近几年钯金的均价仅是金均价的1/3,经过计 算镀钯与镀金厚度相同时，镀钯要节省成本60%，而 且具有更好的可焊性和焊接可靠性，因此更多的基 板及PCB制造公司希望应用ENEPIG技术替代化学沉 镍金和电镀镍金技术。 6结语 ENEPIG工艺作为一种‘‘万能”镀层，在IC封装 及精细线路PCB的制造中具有特殊的优越性。随着 ENEPIG制作工艺逐渐成熟可靠、电子产业对低成本 的不断迫切需求以及对金属丝键合和表面贴装混合组 装板的高连接可靠性的要求，ENEPIG将全面替代目前 的ENIG为电子封装产业提供更优异、更可靠的表面涂 覆层，因此ENEPIG工艺将具有广阔的应用前景。@ 参考文献 [1] 林金堵，吴梅珠.化学镀镍/化学镀钯/浸金表面涂覆 层的再提出[J].印制电路信息,2011(3): 29-32. 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