?以氧化鋁、氮化鋁、氮化硅為主流的陶瓷基板是當(dāng)下電子封裝領(lǐng)域不可或缺的基礎(chǔ)材料,它們既是芯片和阻容元件的承載體,實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電和互連的功能,也是芯片的保護(hù)體,發(fā)揮著抵御服役環(huán)境應(yīng)力沖擊及濕熱腐蝕的作用。其具有的與芯片熱膨脹系數(shù)匹配、耐高溫、耐腐蝕、散熱能力強(qiáng)、介電常數(shù)小、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)致密、絕緣性好、成本低廉、適合大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn),在快速發(fā)展的高可靠電子封裝領(lǐng)域有著進(jìn)一步提升適應(yīng)性的潛力。
依據(jù)生產(chǎn)工藝的不同,陶瓷基板有著眾多種類(lèi),包括直接鍵合銅陶瓷基板(DBC)、直接電鍍銅陶瓷基板(DPC)、高溫共燒陶瓷基板(HTCC)、低溫共燒陶瓷基板(LTCC)等。
目前,電子封裝基板一般通過(guò)沉積化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的貴金屬Au來(lái)修飾表面導(dǎo)體,主要采用化學(xué)鍍鎳/浸金(ENIG)和化學(xué)鍍鎳/鈀/浸金(ENEPIG)這兩種工藝。
ENIG工藝是先在Cu焊盤(pán)上化學(xué)鍍Ni,再通過(guò)置換反應(yīng)在Ni層表面獲得一層Au,具有抗氧化性好、存儲(chǔ)時(shí)間久、平整度高等優(yōu)點(diǎn),其工藝流程為:清洗→酸洗→微蝕→活化→化學(xué)鍍Ni→浸Au。
由于焊盤(pán)基材是Cu,表面極易形成不導(dǎo)電的氧化膜,不僅影響導(dǎo)電性,而且不利于化學(xué)鍍Ni,通過(guò)清洗、酸洗步驟初步處理銅焊盤(pán)表面,提高表面一致性及潤(rùn)濕性;微蝕粗化銅表面有利于提高后續(xù)Ni層的附著力,活化則形成具有催化還原作用的鈀晶體層,再進(jìn)行化學(xué)鍍Ni到所需厚度;而在化學(xué)浸Au過(guò)程中,金屬鎳與溶液中的金離子發(fā)生置換反應(yīng),Au取代部分Ni而沉積在Ni層表面,直到表層Ni完全被Au取代。
高可靠器件一般要求Ni層厚度大于5 μm,為了避免焊接時(shí)出現(xiàn)“金脆”現(xiàn)象,作為焊盤(pán)的鍍Au層往往控制得很?。ㄒ话銥?.03 ~ 0.15μm)。為了抵抗外界服役環(huán)境對(duì)金屬導(dǎo)體的氧化和腐蝕,一些高可靠性的陶瓷管殼(如三維陶瓷基板)通常對(duì)暴露在環(huán)境中的金屬區(qū)域采用較厚的Ni/Au鍍層,甚至采用Ni/Au/Ni/Au多層體系,從而達(dá)到良好的防腐蝕效果和防底層金屬擴(kuò)散效果。然而鍍層并非越厚越好,必須保證化學(xué)鍍Ni/Au后的線寬和線距都大于60 μm,否則Ni會(huì)發(fā)生嚴(yán)重交聯(lián)。
在上述ENIG工藝中,由于鍍Au層很薄,會(huì)出現(xiàn)Ni底層在高溫作用下沿著Au的晶界加速向Au層表面擴(kuò)散,氧化生成NiO而使焊盤(pán)變色的現(xiàn)象。為了克服ENIG工藝存在的黑焊盤(pán)問(wèn)題,逐漸發(fā)展出ENEPIG工藝,即化學(xué)鍍鎳/鈀/浸金工藝,簡(jiǎn)稱(chēng)鎳鈀金工藝,其工藝流程為:清洗→酸洗→微蝕→活化→化學(xué)鍍Ni→清洗→化學(xué)鍍Pd→清洗→浸Au。
在ENEPIG工藝中,浸Au的置換反應(yīng)由ENIG工藝中的Au取代Ni轉(zhuǎn)變?yōu)橛葾u取代Pd,鍍Pd工藝的原理與鍍Ni工藝相近。
與ENIG工藝相比,ENEPIG工藝作為焊盤(pán)表面修飾工藝具有以下諸多優(yōu)勢(shì):
(1)省Au
在Ni和Au層之間插入Pd層能夠降低Au層的厚度,不僅節(jié)約成本,還能避免厚Au焊盤(pán)帶來(lái)的“金脆”問(wèn)題,提高焊盤(pán)可焊性。同時(shí),增大Pd層厚度可提高焊盤(pán)的表面潤(rùn)濕性,減小金屬間化合物應(yīng)力,提高焊接可靠性和力學(xué)性能。
(2)防止Ni過(guò)氧化
ENIG工藝中的黑焊盤(pán)問(wèn)題不容忽視,尤其在高可靠大規(guī)模集成電路中,若基板擁有1000個(gè)以上的高密度焊盤(pán),即使發(fā)生黑焊盤(pán)現(xiàn)象的概率較低,也會(huì)對(duì)整個(gè)器件產(chǎn)生致命的影響。在Ni層表面鍍Pd可以避免浸Au過(guò)程中鍍液對(duì)Ni晶界的過(guò)氧化侵蝕。
(3)阻止Cu/Ni遷移
Pd作為額外的阻擋層,本身化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,在400℃以下難以被氧化,化學(xué)鍍Pd層均勻、致密,可抑制Cu導(dǎo)體和Ni層向Au層表面的熱擴(kuò)散。在后續(xù)器件制造和服役過(guò)程中,在高溫下能夠提供一個(gè)更穩(wěn)定的界面。
采用貴金屬Au來(lái)修飾表面導(dǎo)體是行業(yè)內(nèi)常用的提高金屬化陶瓷基板可靠性的方法,然而兩種工藝在控制不當(dāng)時(shí)也仍會(huì)出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象:
(1)導(dǎo)致Ni/Au鍍層腐蝕主要有Ni/Au擴(kuò)散、雜質(zhì)腐蝕等因素,提高鍍Au層致密度,以及減少Ni向焊盤(pán)表面擴(kuò)散是抑制變色的最根本途徑。有效手段包括優(yōu)化拋光研磨技術(shù)、發(fā)展新型封孔劑、開(kāi)發(fā)新的半置換半還原金技術(shù)及研發(fā)Ni基合金底層。
(2)Ni/Pd/Au鍍層的腐蝕主要由Au層缺陷、鍍層剝離、有機(jī)污染等原因?qū)е?。提高焊盤(pán)表面鍍層品質(zhì),同時(shí)預(yù)防人為損傷,是防止腐蝕的有效措施;提升基材表面活性,有利于提高底鍍層與基材之間的結(jié)合強(qiáng)度,避免鍍層剝離;有機(jī)污染的危害相對(duì)較小,一般加強(qiáng)清洗即可。