陽(yáng)極氧化鋁基板絕緣層上金的化學(xué)成因及應(yīng)對(duì)措施

秦典成 李保忠 肖永龍(樂健科技珠海有限公司， 廣東 珠海 519180)

陽(yáng)極氧化鋁基板絕緣層上金的化學(xué)成因及應(yīng)對(duì)措施

秦典成 李保忠 肖永龍(樂健科技珠海有限公司， 廣東 珠海 519180)

本文從陽(yáng)極氧化鋁基板的生產(chǎn)工藝流程等方面入手，結(jié)合切片觀察的手段，探討了在沉鎳鈀金表面處理時(shí)陽(yáng)極氧化鋁基板絕緣層上金的形成原因，并提出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。研究表明，對(duì)陽(yáng)極氧化層表面所覆蓋的鈦層的蝕刻處理不當(dāng)導(dǎo)致Al2O3絕緣層被破壞，是后續(xù)過沉鎳鈀金時(shí)Al2O3絕緣層上金的成因；而選用NH4F溶液進(jìn)行鈦層的蝕刻處理，能夠有效解決Al2O3絕緣層的上金問題。

陽(yáng)極氧化；氧化鋁基板；鈦層；上金

0 引言

陽(yáng)極氧化鋁基板是一種具有高導(dǎo)熱特性的LED封裝散熱基板，其導(dǎo)熱絕緣層由導(dǎo)熱系數(shù)較高的Al2O3薄膜所構(gòu)成，整板導(dǎo)熱率可高達(dá)122W/m·K；并且，陽(yáng)極氧化鋁基板與LED芯片的熱膨脹系數(shù)匹配程度較高，基本不會(huì)出現(xiàn)光衰和死燈的問題，已逐漸成為大功率與高光密LED封裝領(lǐng)域有代表性的導(dǎo)熱復(fù)合材料之一[1]。

圖1示出了陽(yáng)極氧化鋁基板的基本制備流程。其中，首先對(duì)經(jīng)過表面清潔處理的鋁合金板進(jìn)行陽(yáng)極氧化而得到具有高導(dǎo)熱系數(shù)且疏松多孔性的Al2O3絕緣層，并利用小分子量絕緣漆浸漬對(duì)多孔性的Al2O3絕緣層進(jìn)行封孔處理以保證完整性；接著采用真空鍍膜工藝在Al2O3絕緣層表面依次濺射鈦層和底銅層(各1-3μm)，并在底銅層上電鍍加厚銅至預(yù)定銅厚，然后完成表面線路制作、絲印阻焊和表面處理等后續(xù)流程。鈦層不僅可以增強(qiáng)Al2O3絕緣層與銅層之間的結(jié)合力，還能夠在一定程度上使Al2O3絕緣層與銅層的熱膨脹系數(shù)相匹配。

沉鎳鈀金(英文簡(jiǎn)稱ENEPIG)是LED封裝散熱基板最常用的表面處理方式之一[2-3]，它是在焊盤上先后沉積鎳、鈀和金的一種表面處理工藝，其中鎳層厚度一般為2.00μm～5.00μm、鈀層厚度一般為0.10μm～0.20μm、金層厚度一般為0.03μm～0.05μm[4-5]。與其他LED封裝散熱基板相同，陽(yáng)極氧化鋁基板同樣采用ENEPIG工藝進(jìn)行表面處理。

圖1 陽(yáng)極氧化鋁基板的制備流程

1 沉鎳鈀金后Al2O3絕緣層存在上金現(xiàn)象

陽(yáng)極氧化鋁基板ENEPIG工藝的基本流程為：除油—微蝕—酸洗—預(yù)浸—活化鈀—化學(xué)鍍鎳(還原)—化學(xué)鍍鈀(還原)—化學(xué)浸金(置換)[6]。

其中，化學(xué)鍍鎳以次磷酸鹽作為還原劑，其自催化氧化還原反應(yīng)式如下：

化學(xué)鍍鈀與化學(xué)鍍鎳機(jī)理大體相同，也是以次磷酸鹽作為還原劑，其自催化氧化還原反應(yīng)式如下：

化學(xué)浸金屬于置換反應(yīng)，Au與Pd發(fā)生置換反應(yīng)，其反應(yīng)式如下：

經(jīng)過ENEPIG表面處理后，我們發(fā)現(xiàn)在裸露于阻焊層的Al2O3絕緣層上存在較為嚴(yán)重的鎳鈀金沉積現(xiàn)象(本文中簡(jiǎn)稱上金)，具體如圖2所示：

2 Al2O3絕緣層上金的成因分析

為了分析Al2O3絕緣層上金的成因，我們首先簡(jiǎn)單回顧一下陽(yáng)極氧化鋁基板的基本制備流程：

鋁合金板陽(yáng)極氧化處理 → 絕緣漆浸漬 →濺射鈦層 → 濺射銅層 → 全板電鍍加厚銅 →圖形蝕刻得到銅線路層 → 利用HF溶液蝕刻無(wú)銅區(qū)域的鈦層 → 絲印阻焊 →沉鎳鈀金

可見，陽(yáng)極氧化鋁基板的制備過程中存在蝕刻無(wú)銅區(qū)域的鈦層這一關(guān)鍵步驟，以避免因銅線路層區(qū)域之外鈦層的殘留而影響陽(yáng)極氧化鋁基板的電氣性能[7-8]。

根據(jù)化學(xué)原理可知，Al2O3絕緣層上金，說明在金層下方存在著某種金屬，為鎳鈀金的形核與生長(zhǎng)提供了條件。因此，我們初步認(rèn)為Al2O3絕緣層上金是因鈦層的蝕刻處理不徹底，導(dǎo)致Al2O3絕緣層上存在鈦殘留，使得鎳鈀金在殘留的鈦上沉積所致。為驗(yàn)證這一初步判斷，我們準(zhǔn)備了兩塊陽(yáng)極氧化鋁基板進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，并按如下參數(shù)要求進(jìn)行蝕刻除鈦處理：

樣品編號(hào)鈦層蝕刻處理參數(shù)HF濃度(%)時(shí)間(min)壓力(kg/cm2)溫度(℃) 1# 3%-5% 4 3.0 35 2# 3%-5% 6 3.0 35

圖2 Al2O3絕緣層上存在上金缺陷

圖3 不同除鈦時(shí)間下Al2O3絕緣層上金不良效果對(duì)比

圖4 不同除鈦時(shí)間下陽(yáng)極氧化鋁基板的切片對(duì)比

圖5 利用NH4F溶液進(jìn)行鈦層蝕刻處理后所得到的陽(yáng)極氧化鋁基板

待ENEPIG表面處理完成后，我們對(duì)上述兩塊樣品的Al2O3絕緣層上金現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如下圖3圖所示：

對(duì)比圖3 a和b兩圖可知，除鈦時(shí)間越長(zhǎng)，Al2O3絕緣層上金現(xiàn)象反而越嚴(yán)重，這與我們認(rèn)為Al2O3絕緣層上金是因鈦層的蝕刻處理不徹底所致的初步判斷大相徑庭，至此可以排除這一原因。

為此，我們轉(zhuǎn)換思路，針該兩塊樣品的Al2O3絕緣層上金處進(jìn)行橫截面切片分析與觀察，結(jié)果圖4圖所示。從該圖中可以看出，當(dāng)除鈦時(shí)間為4分鐘時(shí)，Al2O3絕緣層的最薄厚度僅為15.47um(如圖4a所示)；當(dāng)除鈦時(shí)間為6分鐘時(shí)，Al2O3絕緣層的某一單點(diǎn)厚度僅有6.63um，且部分區(qū)域的Al2O3絕緣層已經(jīng)被完全去除(圖4b所示)。而根據(jù)設(shè)計(jì)要求，Al2O3絕緣層厚度應(yīng)該控制在30-45um之間。因此，可以判定，鈦層的蝕刻處理時(shí)間過長(zhǎng)，導(dǎo)致Al2O3絕緣層遭到HF溶液攻擊，使得Al2O3絕緣層的厚度過薄甚至被徹底破壞；這樣，在ENEPIG表面處理時(shí)，表面處理溶液進(jìn)入過薄Al2O3絕緣層的微小孔洞與鋁基接觸或者與鋁基直接接觸，從而在表面處理溶液與鋁基接觸的界面發(fā)生了鎳、鈀和金的沉積，才是Al2O3絕緣層表面上金的原因。

3 Al2O3絕緣層上金的應(yīng)對(duì)措施

在確認(rèn)了導(dǎo)致Al2O3絕緣層上金的原因之后，我們選用了環(huán)保且蝕刻能力較HF弱的NH4F溶液作為鈦層的蝕刻溶液，這不僅便于對(duì)蝕刻參數(shù)進(jìn)行控制，而且使得處理工藝更為環(huán)保。為了驗(yàn)證應(yīng)對(duì)措施的可行性，我們選用了濃度為3%-5%的NH4F溶液進(jìn)行鈦層的蝕刻處理，蝕刻時(shí)間為5分鐘。ENEPIG后再對(duì)陽(yáng)極氧化鋁基板表面的Al2O3絕緣層進(jìn)行觀察，如圖圖5所示，沒有發(fā)現(xiàn)Al2O3絕緣層上產(chǎn)生上金現(xiàn)象。

同時(shí)，我們對(duì)利用NH4F溶液進(jìn)行鈦層蝕刻處理后所得到的陽(yáng)極氧化鋁基板進(jìn)行了橫截面切片，以觀察Al2O3絕緣層是否遭到破壞，厚度是否在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。如圖6所示，可以觀察得知Al2O3絕緣層的整個(gè)厚度均在設(shè)計(jì)厚度35±5um的范圍之內(nèi)，這說明按照上述工藝參數(shù)利用NH4F溶液對(duì)鈦層進(jìn)行蝕刻處理時(shí)，Al2O3絕緣層基本上不會(huì)受到NH4F溶液的攻擊。

4 結(jié)語(yǔ)

利用HF溶液進(jìn)行蝕刻除鈦處理時(shí)，工藝參數(shù)控制不當(dāng)導(dǎo)致Al2O3絕緣層因被HF溶液攻擊而厚度過薄乃至被完全去除，是ENEPIG表面處理時(shí)Al2O3絕緣層上金的原因。選用蝕刻能力相對(duì)較弱且更為環(huán)保的NH4F溶液進(jìn)行蝕刻除鈦處理，在蝕刻除鈦的過程中可以較為容易地將Al2O3絕緣層保持在設(shè)計(jì)厚度范圍內(nèi)，能夠有效解決ENEPIG表面處理時(shí)Al2O3絕緣層的上金問題。

[1]N.Yeh,J.P.Chung.High-brightness LEDs - Energy efficient lighting sources and their potential in indoor plant cultivation[J],Renewable and Sustainable Energy Reviews,2009,23：1-6.

[2]顧靄云.表面組裝技術(shù)(SMT)基礎(chǔ)與可制造性設(shè)計(jì)(DFM)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2008.

[3]梁萬(wàn)雷,曹白楊.表面組裝印制電路板的可制造性設(shè)計(jì)[J].電子工藝技術(shù),2006,29(2)：74-76.

[4]張文怡,王駿,楊春霞.DFM技術(shù)在PCB設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電子工藝技術(shù),2010,31(5)：281-285.

[5]陳正浩.電子裝聯(lián)可制造性設(shè)計(jì)[J].電子工藝技術(shù),2006,27(3)：177-180.

[6]紀(jì)成光，陳立宇，袁繼旺，王燕梅[J].電子工藝技術(shù),2011,32(2)：90-94.

[7]M.G.James,Y.T.Jeffrey,A.S.Jerry,Prospects for LED Lighting[J],Proceedings of SPIE 2004,5187：227-233.

[8]W.Frank,S.M.Paul,H.Gerard,High Power LED Package Requirements[J],Proceedings of SPIE 2003 5187：85-92.

Based on production technology process and cross-section observation,the cause of gold forming on anodic coating of anodic alumina substrate has been explored with fixing solution being provided.The study shows that mishandling of Ti layer etching process results in gold forming on Al2O3insulating layer during ENEPIG process,and etching the Ti layer by NH4F solution is an effective method to avoid gold formation on the Al2O3insulating layer.

anodizing; alumina substrate; Ti layer; gold on anodic coating