前言

電子產(chǎn)品一直趨向輕薄短小、更高的運(yùn)行速度，包含更多功能。為了達(dá)到以上要求，電子封裝行業(yè)一直致力于開發(fā)更先進(jìn)的封裝方法，既提高單板上器件的密度，又將多種功能組合成單個(gè)高密度封裝。

封裝和互連密度的增加推動(dòng)了組裝方法從通孔技術(shù)（THT）到表面貼裝技術(shù)（SMT）的發(fā)展，并且導(dǎo)致更多地使用引線鍵合將芯片連接到基板。 小的互連間距和芯片級(jí)封裝（CSP）的使用使得器件密度增加，而多芯片模組（MCM）/系統(tǒng)級(jí)封裝（SiP）使得在同一封裝上嵌入更多功能從不可能變成現(xiàn)實(shí)。

半導(dǎo)體工業(yè)多年來(lái)通過(guò)減小芯片尺寸來(lái)提高器件的性能時(shí)，對(duì)于電子系統(tǒng)中的芯片須通過(guò)封裝彼此互聯(lián)這一事實(shí)關(guān)注較少。 大規(guī)模I/O及訊號(hào)傳輸質(zhì)量的要求，使封裝成為半導(dǎo)體工業(yè)的重要考慮因素。為了滿足封裝工藝要求，實(shí)現(xiàn)可靠的連接，無(wú)論IC封裝內(nèi)實(shí)現(xiàn)互連的基板或者器件二級(jí)封裝互聯(lián)的PCB，線路板的表面處理技術(shù)都尤為重要。

本文描述了影響互連可靠性的關(guān)鍵因素，尤其側(cè)重金線鍵合應(yīng)用的表面處理特性。

表面處理金線鍵合的選擇

雖然電鍍鎳金提供了優(yōu)異的金線鍵合的性能，但它存在三個(gè)主要缺點(diǎn)，每個(gè)缺點(diǎn)都阻礙其在前沿應(yīng)用中使用：

• 需要相對(duì)較高的金層厚度，工藝成本很高。
  

• 厚金層容易產(chǎn)生脆弱的錫-金金屬間化合物(IMC)，焊點(diǎn)之可靠性降低。為了增加焊點(diǎn)之可靠性，可在需要焊錫的地方使用不同的表面處理，然而卻會(huì)增加額外的工藝成本。
  

• 電鍍工藝需要使用電鍍線，限制了封裝載板的設(shè)計(jì)自由度和布線密度。
  

電鍍鎳金的這些限制為化學(xué)鍍的選擇提供了空間。化學(xué)鍍的技術(shù)包括化學(xué)鍍鎳浸金(ENIG)，化學(xué)鍍鎳化學(xué)鍍金(ENEG)及化學(xué)鍍鎳鈀浸金(ENEPIG)。

在這三種選擇中，ENIG是基本上不用考慮的，因?yàn)樗痪哂懈呖煽啃越鹁€鍵合特性（盡管它已被用于一些低端消費(fèi)產(chǎn)品中），而ENEG具有和電鍍鎳金同樣高的生產(chǎn)成本，在工藝方面亦充滿復(fù)雜挑戰(zhàn)。

雖然化學(xué)鍍鎳鈀浸金（ENEPIG）最初是在20世紀(jì)90年代末出現(xiàn)的，但其市場(chǎng)接受度卻被2000年左右鈀金屬價(jià)格的波動(dòng)推遲所推遲（2000年時(shí)，鈀金屬價(jià)格被炒到不合理的高位）。 但是ENEPIG可以滿足許多新的封裝應(yīng)用，滿足可靠性需求，同時(shí)滿足無(wú)鉛/ ROHS要求，近年市場(chǎng)需求呈現(xiàn)強(qiáng)勁增長(zhǎng)。

除了在封裝可靠性的優(yōu)勢(shì)上，ENEPIG的成本則是另一優(yōu)勢(shì)。近年金價(jià)上升超過(guò)US$800/oz，要求電鍍厚金的電子產(chǎn)品便很難控制成本。而鈀金屬的價(jià)格(US$300/oz)相對(duì)于金價(jià)來(lái)說(shuō)遠(yuǎn)低于一半，用鈀代替金則有明顯優(yōu)勢(shì)。

表面處理的比較

目前適合細(xì)小引腳的QFP/BGA器件的線路板，主要有4種無(wú)鉛表面處理

• 化學(xué)浸錫(Immersion Tin)

• 化學(xué)浸銀(Immersion silver)

• 有機(jī)焊錫保護(hù)劑(OSP)

• 化學(xué)鍍鎳浸金(ENIG)

下表列舉出這4種表面處理跟ENEPIG的對(duì)比。在這4種表面處理中，沒有一種表面處理能同時(shí)滿足無(wú)鉛組裝工藝的所有需求，尤其是當(dāng)考慮到多重再流焊能力、組裝前的耐儲(chǔ)時(shí)間及金線鍵合能力。相反，ENEPIG卻有優(yōu)良耐儲(chǔ)時(shí)間，焊點(diǎn)可靠度，金線鍵合能力和能夠作為按鍵觸碰表面，有明顯優(yōu)勢(shì)。而且ENEPIG在最后置換金的沉積反應(yīng)中，化學(xué)鍍鈀層會(huì)保護(hù)鎳層防止被置換金過(guò)度腐蝕。

表 1 – 不同表面處理性能之比較

從各表面處理在不同組裝方法上的表現(xiàn)來(lái)看，ENEPIG能夠同時(shí)滿足多種不同組裝的要求。

表2–不同表面處理對(duì)不同組裝方法之表現(xiàn)

金線鍵合可靠性的比較

在相同金線鍵合的條件下(用第二焊點(diǎn)拉力測(cè)試2nd bond pull test),ENEPIG表現(xiàn)出跟電鍍鎳金相近的金線鍵合可靠性。

在ENEPIG樣本抗拉力測(cè)試中，觀察到主要的金線鍵合失效模式是斷裂在金線中部及十分之少量的在頸狀部位。沒有金線不接合和接合點(diǎn)斷開的情況發(fā)生。

此測(cè)試結(jié)果顯示出ENEPIG在金線鍵合上能夠很好的代替電鍍鎳金。

使用ENEPIG的優(yōu)勢(shì)

ENEPIG最重要的優(yōu)點(diǎn)是同時(shí)間有優(yōu)良的錫焊可靠性及金線鍵合可靠性，細(xì)列舉如下:

1. 防止“黑鎳問(wèn)題”的發(fā)生——沒有置換金攻擊鎳的表面造成晶界腐蝕

2. 化學(xué)鍍鈀會(huì)作為阻擋層，阻止銅向表面的擴(kuò)散，從而確保良好的可焊性

3. 化學(xué)鍍鈀層會(huì)完全溶解在焊料之中，在合金界面上不會(huì)有高磷層的出現(xiàn)。同時(shí)當(dāng)化學(xué)鍍鈀溶解后會(huì)露出化學(xué)鍍鎳層用來(lái)生成良好的鎳-錫合金

4. 能承受多次無(wú)鉛再流焊循環(huán)

5. 有優(yōu)良的金線鍵合特性

6. 工藝成本比電鍍鎳金及化學(xué)鍍鎳金低