電腦硬盤磁頭晶片金凸塊電鍍研究

王冀康

(新鄉醫學院第二附屬醫院河南省生物精神病學重點實驗室，河南新鄉 453002)

引 言

目前計算機中數據容量最大、保存時間最長的存儲媒質是硬盤。隨著數據存儲對硬盤容量和可靠性要求的提高，在提高硬盤容量的同時，也對磁頭可靠性提出更高要求。磁頭作為硬盤的核心部件，擔負著數據信息的讀、寫任務，決定著尋道能力的高低。磁頭飛行高度、潤滑性能、磁頭和磁片表面狀態決定了硬盤的容量。而磁頭焊接的可靠性決定了磁頭工作的可靠性，并最終決定整個硬盤的可靠性［1］。

某公司為滿足新產品開發的需要，需將目前金凸塊電鍍使用的鍍金種子層改為Ni-Fe合金鍍層，以減少焊接時金凸塊變形進而提高焊接精度，以期獲得可焊性優良的金凸塊。

1 實驗部分

實驗研究的磁頭及內部焊接部位如圖1所示。晶體基體上鍍金凸塊部分鍍層結構為:基體→離子濺射Ta→離子濺射金種子層→鍍金(形成凸塊)。

圖1 磁頭及其焊接部位局部圖

1.1 金凸塊電鍍工藝流程

金凸塊電鍍工藝流程為:1)打磨晶片;2)在晶片上離子濺射鉭(Ta)作為黏附層，再濺射一層很薄的種子層，3)涂布光刻膠，光刻顯影出電鍍所需要的圖形;4)對晶片進行鍍前處理，清洗后鍍金;5)褪除光刻膠;6)離子束蝕刻，去掉所要圖形以外的種子層和黏附層;7)性能測試。

1.2 鍍金工藝

鍍金溶液配方及操作條件為:

10.5g/L Au 鹽、30g/L Na2SO3，鍍 液 d 為1.125，pH 為6.5，θ為(55 ±2)℃，Jκ為 0.2A/dm2、Aa∶Aκ為1∶1，v為 0.15μm/min。

1.3 實驗材料

實驗所用設備和材料:種子層沉積設備，MRC Target Sputtering Deposition System(型號903M，Materials Research Corp.，U.S.A);鍍金液(市售，型號TG25E，Technic Inc，U.S.A);試樣 d 為150mm 不同內部結構的晶片，分別為假晶片(Dummy wafer)，其成分為 Al2O3和 TiC，以及報廢的晶片(Scrapped wafer，其底部為真實的電腦硬盤磁頭晶片內部結構，是在生產過程中因某些原因而報廢的產品);膠帶(型號471 Vinyl，3M，U.S.A)。

Ni-Fe合金層和金種子層均為離子束濺射法獲得。加工方法如圖2所示。

圖2 離子束濺射沉積加工示意圖

1.4 鍍層檢測方法

金凸塊加工各工序間均應按電子產品相應常規標準檢查，晶片上鍍金凸塊與基體的結合力的試驗用拉扯方法，即將3M膠帶貼覆試件表面，貼牢10s后再將膠帶拉扯剝離，檢查金凸塊無脫離為合格。(該檢測方法為電子企業內控標準)。

2 實驗結果與討論

2.1 實驗結果

實驗使用不同的種子層、晶片的種類、鍍前處理、金凸塊厚度及檢查的結果，如表1所示。

表1 不同工藝條件的實驗結果

續 表

2.2 討 論

從表1可以看出，當種子層為Ni-Fe合金層，不進行鍍前處理，直接將晶片放入電鍍液進行常規電鍍金，金凸塊會從Ni-Fe合金層上脫落;使用十二烷基硫酸鈉活化，金凸塊也會從Ni-Fe合金層上脫落;陰極電解處理雖然有助于金凸塊的電鍍，但也無法避免金凸塊脫離;5%或10%的硫酸溶液浸蝕均能提高鍍層的結合力，但在測試后仍然出現了金凸塊脫離現象;在兩種不同晶片上使用10%鹽酸溶液進行浸蝕也得到了類似于稀硫酸浸蝕的結果。說明采用Ni-Fe合金種子層，上述幾種處理方法均不能實現金凸塊與基體結合力良好的目的。在Ni-Fe合金種子層上再加離子濺射金層時，無論金層的厚度如何，只須采用十二烷基磺酸鈉溶液的活化方法就能夠實現金凸塊與基體的良好結合。

當種子層為 Ni-Fe合金時，δ為0.5 ～4.5μm 的金凸塊都會發生脫落;當Ni-Fe合金種子層上再加離子濺射薄金層時，無論δ為1.5μm還是4.5μm的金凸塊，都不發生脫離。說明電鍍金凸塊是否脫落與鍍層厚度無直接聯系。

當種子層為Ni-Fe合金時，兩種不同材質的晶片都會發生金凸塊脫落;當Ni-Fe合金種子層上再加離子濺射薄金層時，兩種晶片都不發生金凸塊脫落。說明金凸塊是否脫落與晶片種類沒有直接聯系。

3 結論

本實驗研究發現，晶片制造工藝中不能直接在Ni-Fe合金種子層上電鍍金凸塊，而采用在Ni-Fe合金種子層上增加離子濺射薄金層，能夠實現電鍍金凸塊與基體有良好的結合力，進而實現在充分利用企業原有生產設備條件下，攻克了在Ni-Fe合金種子層上電鍍金凸塊的難題。

［1］Andrei Khurshudov，Robert J.Waltman.Tribology challenges of modern magnetic hard disk drives［J］.Wear，2001，251:1124-1132.