ENEPIG 表面处理工艺：优势、前景及在电子封装中的应用

ENEPIG 表面处理工艺：优势、前景及在电子封装中的应用

随着电子封装系统集成度不断提高，组装工艺呈现多样化发展趋势，适应无铅焊料的化学镍钯沉金（ Gold）表面处理工艺刚好能够满足封装基板上不同种类元器件和不同组装工艺的要求，因此正成为一种适用于IC封装基板和细线路PCB的表面处理工艺。该工艺具有提高布线密度、缩小元器件尺寸、组装封装可靠性高、成本低廉等优点，近年来受到广泛关注。本文在介绍化学镍钯金反应机理的基础上，结合镀层基本性能及可靠性分析，综述了该表面处理工艺的优势，并探讨了其发展前景。

关键词：镍钯金；化学镀镍镀钯沉金；表面处理；焊接可靠性；引线键合中图分类号：TN41文献标识码：A文章编号：1009-0096 (2013) 05-0008-04

化学镍钯金工艺是在传统化学镍金（CEGA）工艺基础上发展起来的，起源于20世纪80年代[1]。但由于PCB产品成本、密度低等原因，镍钯金工艺在过去一直没有实质性的进展和推广。随着电子产品逐渐向高性能、多功能、高可靠性、轻量化、小体积、便携化、低成本方向发展，为满足市场需求，化学镍钯金工艺在过去得到了广泛的应用。

市场和技术的要求不仅要求PCB产品向更高密度的HDI/BUM、刚挠结合板、集成(嵌入式)元件板及封装(IC)载板方向发展，也要求电子封装行业向IC封装或系统封装等高密度系统封装方向发展。在高密度封装工艺中，通常需要在同一封装基板上采用多种封装工艺，如通孔封装(THT)、表面贴装技术(SMT)、引线键合(Wire)法、倒装芯片焊接法等。这就要求在同一封装基板上采用多种表面镀层，但从实际生产的角度看并不可行。采用化学镍钯金这种有着“万能”镀层美誉的表面处理工艺[2]，可以满足多种封装工艺的要求，因此化学镍钯金工艺的重要性日益体现出来。

为了满足欧盟RoHS标准对无铅焊接的要求以及全球无铅化发展的趋势[3][4]，许多电子制造企业都在开发无铅电子产品。这为适应无铅焊料的工艺开辟了广阔的应用空间[5]。我们可以确信该技术将具有良好的发展前景。

2 化学镍-钯-金工艺原理

化学镍钯金与化学镍金相比，只是在镍槽与金槽之间增加了一个钯槽，但根据钯槽内反应的不同，化学镍钯金工艺又可分为还原镍钯金（）工艺和置换镍钯金工艺两种，前者在生成钯层时发生氧化还原反应，后者发生置换反应。

表面镀层的生长分为化学镀镍、化学镀钯、化学浸金三个步骤，其反应方程式如下：化学镀镍是利用次磷酸盐作为还原剂，进行自催化氧化还原反应，从而在铜表面沉积均匀致密的Ni-P层，其反应如式（1）所示：

H2PO2.+H2O—HPO/-+H++2H Ni2++2H—N“ +2H+ Ιζ

-+H—HPO32-+H2O+P+H21

（1）化学镀钯的反应机理与化学镀镍相同，通常采用次磷酸钠+盐酸体系进行氧化还原反应，生成致密的Pd-P层，其反应示意图如图1所示，钯层会直接沉积在Ni-P层上，钯层比镍层致密，能有效阻止镍腐蚀的发生。

反应方程式如下（2）：

H2PO2-+H2O—HPO32-+H++2H（2）

Pd2++2H—PdI+2H+

-+H—HPO32-+H2O+P+H2t

（2）化学浸入金属置换反应，金与镍置换或金与钯置换，反应方程式如下（3）：

2Au++Pd—2Au+Pd2+或2Au++Ni—2Au+Ni2+ （3）当钯层较厚时，钯层排列致密，只发生金与钯的置换反应；若钯层较薄，金液会透过钯层的晶格间隙与镍层接触，金与钯、镍发生置换，造成钯层与镍层剥离的风险，因此钯层必须具有一定的厚度。

此外，化学镀钯的反应也分为化学镀镍、化学浸钯和化学浸金三个步骤。化学镀镍和化学浸金的反应机理与化学镀镍基本相同，唯一不同的是生成钯的反应。化学镀钯为置换反应[6]，反应式如下（4）：

Pd2++Ni—Ni2++PdI（4）

在这个置换反应过程中，Pd2+会进入Ni的晶格间隙，取代Ni，造成Ni腐蚀。而且研究结果表明，随着钯层厚度的增加，镍腐蚀会加深，导致严重的黑盘问题。存在焊接可靠性风险，该工艺在应用上受到限制。因此本文就目前备受关注的工艺进行探讨。

3 涂层基本性能

3.1 金层和表面密度的作用

由于金层的存在是为了提高镀层的可焊性和引线键合能力，因此沉金的厚度很薄。在无铅焊接过程中，很薄的金层很快熔入并分散在熔融的焊料中。当焊料中金的重量比例超过3％时，会导致焊点变脆，影响焊接的可靠性。因此，镀金层厚度应控制在0.03μm至0.15μm之间。

金表面是镀层的最上层，其表面形貌和致密性决定了镀层的质量和焊接的可靠性。经研究发现，金层表面结构平整，厚度均匀，晶胞排列紧密，未发现微裂纹，金表面晶格结构良好[7P]，如图2所示。

32 钯层功能和表面密度

在化学镍层与沉金层之间加入一层较薄的化学钯层主要有两个作用：（1）阻断镍的扩散迁移，防止黑盘的产生。焊接时，极薄的金层迅速熔入焊料后，由于钯的熔点较高，焊接时钯的熔化速度比金慢得多，熔融的钯会在镍表面形成一层阻挡层，阻止铜镍金属氧化物的形成，从而提高焊接性能。（2）由于有相对较硬的钯层存在（钯的莫氏硬度为4.75，金的莫氏硬度为2.50），可以明显减小金层厚度，从而提高焊点的可靠性，获得更好的耐磨性和金线性能，适合在对连接可靠性要求较高的产品中使用，同时可以降低成本。

图3 钯表面的SEM图像

多数研究者采用SEM、TEM或FE-SEM显微形貌表征手段对剥离金层后的钯表面结构进行观察分析。研究发现，钯表面晶胞致密、平整，未发生腐蚀。从图3可以看出，剥离金层后，钯表面晶胞结构致密，未发现微裂纹，晶格结构良好[7][8]。

33 镍层功能与表面腐蚀

镍层主要起焊接作用，在焊接过程中，很薄的金和钯会陆续熔进焊料中，而露出的新鲜的镍层会与焊料中的锡形成金属间化合物，形成良好的焊接性和可靠性。

金层和钯层剥离后，通过表征技术可以观察到镍表面光亮平整，晶粒边界清晰，晶粒大小均匀，没有发生腐蚀。但镍层晶粒边界间存在缝隙，致密性较钯层差。因此，在镍层上镀一层致密的钯层，可以有效阻隔沉金化学溶液对镍表面的侵蚀，避免镍层产生黑垫缺陷[7][8]。

4.焊接和引线键合可靠性

对于电子封装而言，连接的可靠性一直是终端电子产品制造商及其各级供应商主要关注的问题。电镀具有优异的焊接和引线键合性能，适用于多种封装工艺，是一种应用前景广阔的表面处理技术。因此，其焊接和引线键合的可靠性受到了研究者的广泛关注。

4.1 无铅焊接可靠性研究

如上所述，它是一种适合无铅焊接的表面处理工艺，目前表面处理常用的无铅焊料为Sn-Ag-Cu（SAC）焊料，下面以SAC焊料为例，介绍金属间化合物的形成及焊接可靠性的研究。

4.1.1金属间化合物的形成过程

在无铅焊接条件下，由于焊接温度较高，焊接时间较长，产生三元金属金属间化合物的概率较大。在焊接过程中，很薄的金层很快熔入熔融的焊料中，形成弥散在熔融焊料中的A^Sn金属间化合物。而裸露的钯层，由于钯熔入焊料的速度只有金的1/65，所以熔入焊料的速度较慢，起到了“屏障”的作用。即使熔入焊料，也会浮在焊点表面，形成坚固稳定的保护层，保护焊点（因此氧化速度要慢得多）。熔融的焊料与镍形成金属间化合物。由于镍层的多孔性，在镍层与N^Snt金属间化合物的界面处会形成（CuNi）6Sn5金属间化合物。

4.1.2焊接可靠性研究

前文提到，金表面和钯表面平整致密，镍表面无腐蚀，具有较高的焊接可靠性。季成光等[8]利用扫描电镜、润湿性、焊球提取/碰撞和金线测试等方法，比较了化学镍钯金表面处理与化学镍金表面处理焊盘的焊接可靠性差异。结果表明，与化学镍金表面处理相比，化学镍钯金表面处理能有效防止因镍腐蚀（黑焊盘）缺陷引起的连接可靠性问题。林金都[9]

该产品经受10次Sn-Ag-Cu回流焊及500次高低温循环以及150 ℃、1 000 h老化试验，结果表明，样品界面处金属间化合物（IMC）厚度变化很小，说明焊接可靠性没有问题。

4.2 引线键合可靠性

引线键合，顾名思义就是利用金属线将二者连接起来。引线键合技术比表面贴装技术（SMT）具有更高的可靠性，而且随着系统级封装（SIP）的封装密度不断提高，使用引线键合的概率也会随之增加，因此对其可靠性的研究也成为了重点。

李等[10]通过实验寻找影响金属线键合性能的因素，通过SEM、EDS、弯曲试验等测量方法的分析结果发现，镀层表面的粗糙度对金属线键合性能影响不大，而金层厚度是影响金属线键合性能的主要因素，厚度越大，键合性能越好。这说明只要控制金层厚度为一定值，就可以获得较高的键合可靠性。

陈先明等[4]对电镀镍金在老化前后（150℃老化2h）的键合能力及抗老化失效分析进行了对比研究，结果表明，电镀镍金表面处理工艺的键合能力存在明显差异，电镀镍金表面处理工艺的键合能力具有明显优势。这说明该技术也具有比电镀镍金更好的引线键合可靠性，适用于高可靠性封装基板的开发。

5 工艺优势

综上所述，该工艺与其他表面处理工艺相比，主要优点为：

（1）避免黑焊盘风险：该工艺相较于ENIG，在镍层与金层之间引入了钯层，可以有效阻止镍的扩散和迁移，避免化学镀镍磷合金的腐蚀，同时有效抑制镍表层的氧化，防止焊接时出现黑焊盘缺陷；

（2）涂层的长期可靠性：涂层具有较高的稳定性，老化处理后SEM检测未发现明显缺陷，表明涂层在正常使用条件下具有长期可靠性。

（3）无铅焊接：镀层能与无铅焊料（Sn-Ag-Cu）形成焊点，焊接强度更高。

达到与铅（锡/铅）焊料相同的焊接强度，且使用寿命更长，满足无铅焊接的要求。

（4）焊接和引线键合可靠性高：十多年的应用和研究表明，表面处理可以实现良好的焊接键合和引线键合性能，可靠性高。

（5）减小元件体积，提高电路密度：由于该工艺具有优良的可焊性和引线键合性能，可以为电路设计，特别是高密度电路设计提供更高的灵活性和自由度。各种封装工艺的灵活应用，可以逐步缩小电子元件体积，提高电路密度。

（6）成本低：钯层的引入可以大大降低金层厚度，近年来钯金的平均价格仅为金的平均价格的1/3。经测算，当钯镀层与金镀层厚度相同时，钯镀层可节省60%的成本，且具有更好的可焊性和焊接可靠性。因此，更多的基板和PCB制造公司希望用技术取代化学镍金和电镀镍金技术。

六，结论

该工艺作为一种“万能”镀层，在IC封装、细线路板制造方面有着特殊的优势。随着该工艺制造工艺的逐渐成熟和可靠性，以及电子行业对低成本的迫切需求，以及引线键合、表面贴装混合组装板对连接可靠性的高要求，它将全面取代目前的ENIG，为电子封装行业提供更优质、更可靠的表面镀层。因此，该工艺将具有广阔的应用前景。@

参考

[1] 林金都, 吴美珠. 再论化学镍/化学钯/沉金表面镀层[J]. 印制电路信息, 2011(3): 29-32.

[2] 林金都, 吴美珠. 化学镍/化学钯/浸金表面镀层的可焊性及可靠性[J]. 印制电路信息, 2011(5): 43-48.

[3]蔡吉庆.高密度PCB制造技术[J].印制电路信息,2010(3):8-14.

[4]陈先明,吴伟杰,等.控制封装基板表面处理以获得优异的焊盘面积[J].印制电路信息,2009(S1).

[5] 丁志廉. PCB技术的革新