1、鍍金層在銲接上的應用一、 前言由於金元素具有多用途的特性，使得在電子產業的許多地方皆可見到金元素被採用，例如在作為抗腐蝕(etchresist) 、電路聯接的表面處理 (contact surface finish)、保護層(protective coating) 、提供適合打金線表面處理(wire bonded surface finish)、晶片貼附表面處理(die attach surface finish) 以及提供良好的銲接性質的表面塗覆(solderable coating)等等。當金被利用在銲接處理時有些重點需要特別的留意，不當的使用將會對銲接製程造成相當大的衝擊，且也會對銲錫聯
2、結的性質造成重大的影響。從前鍍金層沉積的平均厚度是較所應用的情況來得厚，在大部份的例子中，鍍金層沉積的厚度是與所應用的場合及電鍍液有密切的關係；在較硬、較細晶粒鍍層的應用上就需要選用較應的共沉積(codeposited)成份，添加晶粒細化劑(grain-refining additives)與亮光劑(brightener)。在一般的場合中，鍍層都具有平坦、光亮與較薄等的特性(30-inches)。在其它如在晶片貼附區域(die attach)與打金線 (wire bonding)所需就的鍍金層可能就不需要再額外的添加其它的添加物，因為在以上的應用下鍍金層被要求要較粗糙且不需具備光澤，這麼一來鍍
3、金層的厚度就可能較為豐富了(30-inches)。在大部份的應用上，鍍金層的厚度會依後續所要進行的製程而改變，厚的鍍金層也不只是應用在特定的用途，有時也提供作後續的錫迴銲製程；但若銲接在厚度為 30-inches 到 100-inches 範圍的鍍金層時，將會導致銲接不良或銲接後質地變脆，這些情況的發生使得在鍍金層上銲接的接點可靠性降低。在這些不友善的特以及可靠性不佳所造成成本的提高使得鍍金處理的市場萎縮，直到最近研究報告以及相關的影響被廣泛的討論後才見好轉。二、 金的復原由於在過去的幾年中，金元素在電子產業大量的被採用，所遭遇到的問題也逐一的浮上檯面，特別是在銲錫與鍍金處理的電路表面銲接所產
4、生的問題最為被業界重視。在這篇文章中，我們將針對以下的主題做探討：在鍍金層上作銲接的製程製程與兩金屬間的聯結的產生。使接點的可靠性提高，乃至於使其壽命增長的製程所需考慮的因素。三、 鍍金層的厚度 在分析銲錫接點發生破壞後的金相結構可發現，若鍍金層的厚度對銲錫接點的可靠性有直接的關聯，所幸電路板上所使用的鍍金層厚度大部份都是在 5-inches 到 15-inches 的範圍內。對於鍍金層而言，有效的控制鍍層沉積，使產生較薄的鍍層厚度，並減少所存在的空孔是格外的重要，其理由如下： 能夠充份的完成銲接，且成本也較低廉。 銲接後銲錫接點也不易產生脆化的現象。 能夠降低空孔生成的機率。 能夠減少在迴銲
5、過程中錫(Tin)的消耗量。四、 銲接的保護鍍金層主要的用途是為了有效的保護底下的鎳層，由於銲接實際是發生在鍍金層底下的鎳層上，由此可知銲接的動作是否完成是要視其與鍍金層底下的鎳層熔合附著的情形而定，由於銲錫要與底層的鎳層聯接，所以在銲接時必須將金層熔解，正因為這樣，一個優良且適合進行銲接的鍍金層必須要是較薄且須是緊密而低孔性(low-porosity)的。當薄的鍍金層被熔解後，接著銲錫就會恨很快的與鎳層完成聯結，所以鎳層必須要具備有極佳的活性(active)與銲接能力(solderable) ，倘若鎳層未能具備上述的特性，則鍍金層的存在將變的沒有意義。在過去，由於我們對電鍍製程的誤解，經常會
6、忽略了其中的重要性(詳情請參閱” 鍍金製程的執行”該部份)。對於鎳(Nickel)而言，雖然它也可與銲錫相熔接，但其反應進行的速度仍然不及銅(Copper)，所以在進行銲錫銲接的過程中還是需要更多的能量以完成熔接的工作，這一點對於我們在進一步了解銲錫膏(solder paste)在迴銲過程中的反應是相當重要的，簡單的說就是在迴銲的過程中，設法延長銲錫熔解成液態的時間，如此可使鎳與錫(Tin)達到充分的反應。對於銲接反應的完成與否，取決於在鎳與錫的界面是否已充分的反應，並進而形成連續的共界合金層(continuous intermetallic compound，IMC) ，此一鎳-錫共界合金反
7、應層(Nickel-Tin IMC reaction layer)形成的目的除了使元件完成與外界系統間的電性聯接外，同時也使元件在組裝系統中具備足夠的強度以對抗環境的破壞。五、 鍍金製程的執行讓我們再從另一個角度來看銲接的問題。若要使鎳層與銲錫順利的達成良好的熔接，就要在鎳層沉積的過程中特別注意其不純物的濃度(impurity level)，一般而言，鎳層中的不純物濃度是越低越好，即使是使用磷鎳無電解沉積(phosphorous nickel electroless deposits)在不純物濃度的控制依然是相當要緊的；因為不論是不純物的共沉積作用(codeposition)或是吸藏(occl
8、usion)現象在兩不同成份金屬的聯結反應中，將會加速某一界面的生成，同時也會干擾兩成份間反應的進行，這種干擾物會減少反應進行過程中可供反應物沉積的面積，如此一來將使兩成份間的聯結強度減弱，並將直接對其使用壽命造成衝擊。因此，電鍍溶液必須以適當的方式予以保存與過濾，以減少共沉積作用(codeposition)以及污染物的吸藏(occlusion)。在含磷的磷鎳無電解(phosphorous-nickel electroless)的例子中，使溶液中的含磷量保持在一個最低的範圍內是相當重要的，因為若在鎳沉積的過程中，溶液的含磷量超過一定比例將會妨礙鎳層的沉積，如此將使沉積層變的虛弱，在銲接的過程中
9、， ”破壞”就很容易在這個地方發生。六、 脆化由銲接脆化的觀點上來看，儘量控制鍍金層沉積的厚度在銲接上是相當重要的，因為薄的鍍金層將可有效的減低金-錫界面合金成份(Gold-Tin IMC)的形厚度，在許多例子中都可清楚的看到在反應界面的合金濃度是相當大的，以較厚的鍍金層(20-inches)而言，在迴銲過程中所產生的金- 錫共界合金成份並不會均勻的分散在整個銲錫接點的結構中，而是會使兩種成份形成一種分離的狀態，在分離狀態下金的濃度較大區域的銲錫接點處面臨反複的熱偏移(cyclic thermal excursions)後的完整性將大為降低。對於銲錫接點而言，在兩平板匹配的界面(flat ma
10、ting surfaces)的部分對銲錫接點的可靠性最為敏感，存在有這樣的界面的區域包括電路板上表面黏著銲墊與晶片型元件(chip component)或海鷗腳造型接腳的元件 (gull-wing leaded component)間的界面。在較大的邊緣部份，若鍍金層的厚度過厚(40-inches)時，將對銲接的可靠性造成相當大的衝擊，經我們沿著鍍金的表面觀察銲接邊緣部份反應後銲錫的濃度，金-錫共界合金成份主要是在表面黏著與電路板上的鍍金銲墊會形成完全飽和的聯結(complete saturation of confined connection)，這對於銲錫接點的可靠性有著相當大的影響；在過
11、去的例子中可發現銲錫接點上發生破壞最多的情況是在金-錫的共界合金層上，由於金錫共界合金成份(gold-tin IMC)易發生脆化，進而產生裂紋，在整個破壞的過程中，裂紋會沿著表面黏著元件(surface-mount component)與銲墊間的界面成長，嚴重的情況會對接點處產生破斷破壞，由此可知，通常在產生裂紋的區域的共通點就是其組裝銲錫厚度相當的薄，這有可能是因為元件放置(placement)過程中銲錫因不當的插件處置而散失。有的時候廠商為了使元件在進行迴銲之前就與電路板銲墊間達到良好的附著，而加大元件插件機的置件壓力，希望能藉由加大置件壓力使元件能深埋在銲錫膏之中，這樣的做法卻使原本刷印
12、在電路板銲墊上的錫膏因置件壓力過大而脫離銲墊，這樣的情況將使得在這個區域中的銲錫在迴銲過程中流失，最後導致在銲接反應中輕易的在銲接的表面產生金-錫的飽和共界合金反應(saturated IMC reaction)；由此可知，銲錫厚度對於進行銲接的特定區域而言是相當重要的。附帶一提的是，在銲錫與金層表面進行反應的同時，銲錫中的錫(Tin)會很容易被消耗，消耗過多的錫的銲錫會在銲接共界合金層(IMC layer)與鍍金層以及凝固的銲錫的這兩個界面間冷卻凝固，在材料的性質上，銲接共界合金層(IMC layer)的質地既硬且脆，反觀在兩界面附著的是一質地鬆軟軟、且含鉛量較豐富的區域(lead-rich
13、 zone)，這一微細的結構在面臨反複的熱偏移(cyclic thermal excursions)時是相當脆弱的。七、 空孔空孔(void)形成的原因是一直存在著多種推測，一種比較特別的論點是認為空孔的產生是由於固體(在此係為鍍金表層) 中的氣體在加熱的過程中發生膨脹，而導致金屬內部產生空孔，在這個論點是與鍍金表層有關的；除此之外，其它常被提到造成空孔的原因有收縮(shrinkage)以及殘留的助銲劑未能適時排除所導致。通常空孔都是在銲錫與鍍金層間進行銲接反應的過程中，有機材料被大量的吸收所致。在此，吸藏作用在金屬沉積的任何一個步驟會發生。所以若想要有效的降低空孔的生成，就要謹慎的選擇添加物
14、，選擇的重點可放在添加物的晶粒是否經過精鍊(grain refiners)、沾濕作用劑(wetting agents)與光亮劑(brighteners)，否則在金屬沉積的過程中，有機的污染物(organic contaminants)將會大量的吸藏在金屬層中。而以上這些添加物能夠在銲錫熔解以及其與鍍金層產生反應的過程中揮發(volatilize)或消散。對於銲錫而言，光亮電鍍的沉積(bright-plated deposit)就像是排出氣體自由度的變因(the source of varying degrees of outgassing)，會導致空孔在銲接聯結處產生，這類空孔的形成是值得我們
15、再進一步作探討的；當空孔散出並移動到平板匹配表面(flat mating surfaces)的區域時，又由於在這個區域中的空孔的量相當的少，且也空孔不容易移動，所以無法藉由與其它空孔合併以增加浮力，所以很難逃脫，存在的空孔將使整個結構變的較為脆弱，因為裂紋將很容易從空孔存在的部位產生並隨之擴散開來，最後將造成銲錫聯結處發生破斷，一般來說，越薄的鍍金層將可限制有機材料的吸收與減少空孔發生的機率。八、 鎳的消耗迴銲之後，在厚的鍍金層有許多界面合金成份的反應發生，相對的在反應發生處一定有許多錫(Tin)被消耗掉，由於在銲錫中的錫被消耗掉，使得在銲錫中鉛(lead)變成佔大部份，如此將使得含鉛較豐富的
16、區域質地變脆；界面合金成份的濃度(Concentration) 與空孔(Void) 對於銲接的可靠性的傷害是相當大的，由於可想像在面對鍍金表面處理時要格外的注意。九、 考量的重點以鍍金層作為表面處理的銲墊在銲錫銲接製程的運用上，有以下幾個要特別注意的重點： 鍍金層的厚度必須控制在 5-inches 到 15-inches 的範圍內。 確認在鍍金層下的鎳層(Nickel) 為可銲接的。若所使用的鎳中含磷(Phosphorous-Nickel)，則含磷量必須要被控制在最低的劑量。一般而言，鎳的純度要越高越好。 在迴銲的過程中，銲錫熔解成液相的時間要長，如此才可使銲錫與鎳充分的反應，以期達到完全結合。 在電鍍金的過程中，要確保電鍍溶液的品質，其它如溶液的過濾、碳化處理以及製程控制也要同時配合。十、 結論由過去的經驗中得知，二次反應經常會對材料的結構造成破壞性的傷害；在金- 錫銲接接點的破壞機制上也經常可以看到類似的現象，在金-錫銲接點的二次反應中，在金-錫界面會產生金- 錫界面合金層，這樣的結果將使得銲錫接點的強度大受影響，進而縮短系統的使用年限，由此可知，在鍍金表面處理的銲墊上進行銲錫銲接是一種相當複雜的學問。在面對業者不斷的要求要提高可靠性的前提下，再進一步的了解鍍金層結構並嚴格的控制製程為不二法門，在良好的製程環境下將可有效的降低破壞發生的機會。
