微波基板表面可焊性鍍層的制備及性能評估*

張 瞇，王從香，王越飛，侯清健

（南京電子技術研究所，江蘇南京210039）

引 言

隨著電子信息技術的迅猛發展及軍用電子裝備技戰術指標的不斷提高，電子整機系統正逐漸朝著小型化、輕量化、多功能、高密度與高性能化的趨勢不斷發展，對封裝基板的布線密度、散熱能力、電傳輸性能、元器件集成密度及長期可靠性等提出了迫切的需求。低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic,LTCC）技術通過陶瓷生料與導體漿料多層共燒的方式實現了高密度三維電路網絡無源組件的制備，利用腔內埋置或表面貼裝的方法集成多種元器件，形成多功能化的無源/有源集成的功能模塊或電路，有效提高封裝密度并縮短芯片導體的互聯長度[1]，極大地降低了工藝復雜性與成本，提高了組件的電性能及可靠性，廣泛應用于高密度集成模塊、大功率模塊和微波/毫米波電子模塊和整機中[1–3]。

為了進一步降低共燒陶瓷微波基板的制作成本，提高基板散熱能力及布線密度，全銀漿料體系LTCC基板和高散熱氮化鋁高溫共燒陶瓷（High Temperature Co-fired Ceramic, HTCC）基板得到了越來越廣泛的關注與研究[3–4]。HTCC燒結所用的鎢和鉬屬于難熔金屬漿料，在低成本LTCC全銀導體漿料表面無法直接鍵合和釬焊，為了實現基板表面高密度元器件及模塊的有效裝配并提升導體導電能力及可靠性，已燒結基板需要進一步采用化學鍍或電鍍工藝在金屬漿料表面增加鎳、金等導體膜層[4–6]。采用電鍍工藝在基板表面沉積膜層時，基板表面待鍍區域必須具有電導通性，但對于表面布線復雜和孤島較多的微波基板，若采用電鍍的方法進行表面膜層沉積，則必須在布線時增加電導通工藝線，這將具有很大的局限性。與電鍍相比，化學鍍對待鍍樣件的電導通性無要求，待鍍區域無需電互聯，有效提高了布線空間的利用率，有利于獲得高密度和小型化的封裝基板。特別是對于包含高密度孤立焊盤和高密度布線的基板，在表面的可焊性鍍層制備過程中，化學鍍具有獨特的優勢。

本文介紹了采用化學鍍工藝在LTCC微波多層基板表面制備可焊性鍍層的工藝過程，討論了鍍層制備的要點和影響化學鍍的主要因素及其作用機理，采取了適當的措施，解決了鍍層漏鍍和滲鍍的難題。文中在LTCC微波多層基板表面完成Ni（鎳）/Pd（鈀）/Au（金）可焊性鍍層的制備，并對可焊性鍍層的形貌、附著力、鍵合強度等進行測試評價，結果均滿足基板組裝應用要求，為全銀體系微波多層基板在微波功率組件中的工程化應用奠定了基礎。

1 化學鍍過程及原理

化學鍍是指在溶液中利用化學反應或電化學反應在基體材料表面沉積成膜的一種技術。化學鍍過程中，金屬離子在溶液中通過自催化過程（或被還原劑還原）向固/液兩相界面上析出，在基底材料表面沉積形成鍍層。化學鍍鎳只能在表面負電位的鎳、鐵、鈷、鈀和鋁上直接沉積，在銅及其他金屬上化學鍍鎳時，必須與比鎳更活潑的金屬或鈀接觸[7]。通常情況下，采用鈀鹽活化的方法在金屬表面沉積一層膠體鈀，形成自催化活性中心，在后期化學鍍覆過程中，溶液中的金屬離子在自催化活性中心位置不斷沉積，化學鍍過程示意圖見圖1。

圖1 化學鍍過程示意圖

2 微波多層基板化學鍍工藝難點

微波多層陶瓷基板表面布線密度很高，表面圖形線寬/間距窄，孤立焊盤尺寸小，深腔多且結構復雜。與鋁硅碳等需要整體鍍覆的電子封裝材料相比，微波多層陶瓷基板表面更易出現局部圖形漏鍍、滲鍍、表面粗糙長瘤等現象[8]，因此化學鍍工藝難度更大。通常情況下，漏鍍、滲鍍等失效問題主要集中在窄間距圖形處、小尺寸孤立焊盤處或深腔底部，如圖2所示。

LTCC微波多層陶瓷基板通常包含多個深腔結構。深腔底部溶液擴散交換能力弱，易造成：1）鈀活化后，腔底的殘留溶液難以徹底沖洗干凈，主鹽離子易在此處還原沉積，造成滲鍍問題；2）鈀活化過程中，活化液在腔底的擴散能力弱，腔底圖形鈀活化不足，進而出現漏鍍現象。除窄線寬/間距圖形和深腔底部外，許多孤立線、點等小尺寸焊盤也容易在化學鍍鎳過程中發生漏鍍。當焊盤尺寸變小后，鈀離子在焊盤上的置換速率降低，相同時間內鈀在小尺寸焊盤上的覆蓋率減小，達不到引發化學鍍鎳所需要的覆蓋率（約12%）[8]。綜上所述，如何獲得附著力良好，無漏鍍、滲鍍等質量缺陷的可焊性鍍層是微波多層基板化學鍍的關鍵。

LTCC微波多層基板表面化學鍍鎳鈀金的工藝流程如圖3所示。

圖3 LTCC基板上化學鍍鎳鈀金的工藝流程圖

制備Ni/Pd/Au鍍層后，采用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）及能譜儀（Energy Dispersive Spectrometer, EDS）觀測分析鍍層的微觀形貌和表面元素分布情況，利用X射線測厚儀測試鍍層厚度，采用3M膠帶進行鍍層附著力測試，并結合實際生產情況，分析了導致LTCC微波多層基板漏鍍和滲鍍問題的原因及其作用機理。

2.1 非圖形區域滲鍍

在某產品的生產過程中發現，經過鈀活化后，化學鍍鎳過程中出現了非圖形區域沉積鎳的現象即滲鍍現象。

一般情況下，滲鍍的主要原因是鈀鹽活化的過程中，催化劑在非圖形區域沉積，即非圖形區域被活化。此外，非圖形區域表面粗糙度過大、鍍液活性過強等因素也易導致滲鍍。非圖形區域滲鍍主要與以下幾個因素相關：

1）鈀鹽活化時間偏長、活化液濃度偏高、活化溫度偏高，導致非圖形區域有較多催化劑沉積。

2）鈀鹽活化后水洗時間過短、水洗不充分，導致非圖形區域上有殘留的催化劑[9]。

3）非圖形區域處表面粗糙度大、表面能量高且比表面積大，金屬離子在此處沉積所需的能量較低且有較多的形核位置。

4）非圖形區域表面有其他活性物質，如具有催化活性的C膜、表面Al納米簇、低價態金屬氧化物等，形成“電子富集”環境。后續化學鍍的過程中，正價金屬離子易在電子富集處得到電子并沉積還原[10]。

5）化學鍍鎳溶液工作溫度過高、主鹽離子和還原劑含量偏高、溶液活性過強或溶液攪拌和過濾不足時，也易出現滲鍍。

結合實際生產的特點，定位分析可知，基板Ni層滲鍍由活化后水洗不足導致。為解決此類問題，在鈀鹽活化與化學鍍鎳之間增加一道酸漂洗工序，目的是去除吸附在LTCC陶瓷基板上過量的催化劑。由于LTCC基板瓷體為共價鍵，瓷體對Pd的親和力弱于導體銀漿料與Pd的親和力，因此可以借助酸漂洗除去吸附在LTCC瓷體表面的催化中心，同時保證導體銀漿料表面有足夠的鈀自催化中心。增加酸漂洗工序后，該產品化學鍍鎳后基板表面滲鍍問題得到解決。

2.2 圖形漏鍍

LTCC微波多層基板化學鍍時發現，某種基板表面經常出現漏鍍問題。引起漏鍍問題的主要原因有：1）鈀活化不足，圖形表面特別是小尺寸圖形表面未形成足量的自催化活性中心；2）銀層表面被污染或被覆蓋，鈀催化劑無法在此處沉積；3）活化過程中的“電子傳輸”效應[9]使得基板電性能連續區域的表面圖形出現鎳層漏鍍。

為明確實際生產中某種基板的漏鍍原因，對該基板的漏鍍區域進行EDS能譜分析，結果見圖4。不同位置的元素含量分布見表1。EDS結果表明：除銀元素譜峰外，圖4（b）中的漏鍍區域均探測到含量較高的氧元素及硅元素的譜峰，特別是譜圖9位置氧元素的質量分數高達50%、硅元素的質量分數高達20%，還存在少量的鈦、鈣等元素的譜峰。實驗中所用的LTCC瓷體材料為玻璃加陶瓷的復合材料，氧化鋁顆粒散布在玻璃基體中，形成玻璃微晶相。玻璃體系主要包括硅硼酸鹽、鈣硼硅體系等。綜上分析，漏鍍區域較高比例的硅、氧譜峰為銀漿料表面的玻璃相殘留。

圖4 Ni層漏鍍區域樣品的表面能譜分析

表1 Ni層漏鍍區域圖形表面EDS分析結果

此外，漏鍍區域的導體圖形表面均未探測到Pd元素譜峰。這表明銀漿料表面被殘留的玻璃相覆蓋，導致鈀自催化活性點無法在此處正常沉積，因此在后續化學鍍過程中出現漏鍍缺陷。通過增加玻璃刻蝕時間，可顯著改善LTCC圖形表面鍍層漏鍍的現象。化學鍍鎳后樣品的表面形貌如圖5所示。鍍層表面光滑平整，顆粒大小一致，膜層晶粒細致均勻，無基體裸露，無結瘤，無色差，覆蓋完全。利用3M膠帶測試復合鍍層的附著力，未發現膜層脫落現象，鍍層附著強度滿足要求。

圖5 化學鍍鎳樣品表面形貌

3 鍍層性能評估

3.1 錫鉛焊盤拉力測試

按照GB/T 17473.4—1998 厚膜微電子技術用貴金屬漿料測試方法——附著力測定的要求，制備帶有2 mm×2 mm標準焊盤的全銀LTCC測試件，利用化學鍍工藝沉積鎳鈀金，之后將直徑為0.8 mm的鍍錫銅絲用烙鐵垂直焊接到鍍覆后的焊盤上，采用多功能拉力剪切力測試儀測試破壞性拉力，評價鍍層及漿料的附著力。測量示意圖如圖6所示。

圖6 焊盤拉力測量示意圖

每個樣品測量了3個位置的焊盤拉力值，測量數據如表2所示。

表2 鍍覆后LTCC基板焊盤拉力強度 N

由表2數據可見，焊盤錫鉛焊拉力值均≥39.20 N，金屬膜層與基材附著力可靠，滿足基板的使用要求。

3.2 鍵合性能評價

對鍍覆完成的LTCC微波多層基板進行打線性能評價。實驗中所用的金絲直徑為25 μm，實驗樣品如圖7所示。同時開展了金帶鍵合性能評價，所用金帶寬度為150μm，金帶鍵合后的樣品形貌如圖8所示。

圖7 金絲鍵合樣品表面形貌

圖8 金帶鍵合樣品表面形貌

由于金帶的尺寸大于金絲的尺寸，鍵合所需參數以及破壞性拉力值遠高于金絲，因此更能反映焊盤的膜層質量。從圖8可以看出，金帶鍵合后未發現金屬膜層脫膜、鼓起等問題，膜層附著力可靠。鍵合完成后，按照GJB 548B—2005 微電子器件試驗方法和程序，采用多功能拉力剪切力測試儀測試破壞性拉力，評價鍵合強度。樣品金絲、金帶鍵合破壞拉力各測量10個點，測試結果如表3所示。

表3 鍍覆后LTCC基板金絲、金帶鍵合強度 N

從表3中數據可以看出，樣品金絲鍵合強度最小值為0.081 N，金帶鍵合強度最小值為0.184 N，鍍層的可鍵合性能良好，鍵合點可靠，能夠很好地滿足金絲、金帶鍵合的要求。

4 結束語

本文介紹了采用化學鍍工藝在LTCC微波多層基板表面制備可焊性鍍層的工藝過程，討論了鍍層制備的要點、影響漏鍍和滲鍍的主要因素及其作用機理，完成了LTCC微波多層基板表面Ni/Pd/Au鍍層的制備，分析了某產品Ni層漏鍍的原因，確定銀表面的殘留玻璃是引起Ni層漏鍍的主要原因之一。在Pd活化過程中，自催化活性中心無法在殘留玻璃相表面附著，造成了化學鍍過程中的漏鍍，通過增強玻璃刻蝕條件可有效改善此類問題。制備的Ni/Pd/Au鍍層表面光滑平整，晶粒細致均勻，覆蓋完全，無結瘤、色差等缺陷。焊盤附著力拉力測試及鍵合性能評價結果表明：金屬漿料及可焊性鍍層均附著良好，鍵合強度較高，鍵合點可靠，能很好地滿足微波組件的應用要求。