一、前言

     由于金元素具有多用途的特性，使得在電子產(chǎn)業(yè)的許多地方皆可見到金元素被采用，例如在作為抗腐蝕(etchresist)、電路聯(lián)接的表面處理(contact surface finish)、保護層(protective coating)、提供適合打金線表面處理(wire bonded surface finish)、芯片貼附表面處理(die attach surface finish)以及提供良好的焊接性質(zhì)的表面涂覆(solderable coating)等等。當(dāng)金被利用在焊接處理時有些重點需要特別的留意，不當(dāng)?shù)氖褂脤附又瞥淘斐上喈?dāng)大的沖擊，且也會對焊錫聯(lián)結(jié)的性質(zhì)造成重大的影響。

    從前鍍金層沉積的平均厚度是較所應(yīng)用的情況來得厚，在大部份的例子中，鍍金層沉積的厚度是與所應(yīng)用的場合及電鍍液有密切的關(guān)系；在較硬、較細晶粒鍍層的應(yīng)用上就需要選用較應(yīng)的共沉積(codeposited)成份，添加晶粒細化劑(grain-refining additives)與亮光劑(brightener)。在一般的場合中，鍍層都具有平坦、光亮與較薄等的特性(≦30μ-inches)。在其它如在芯片貼附區(qū)域(die attach)與打金線(wire bonding)所需就的鍍金層可能就不需要再額外的添加其它的添加物，因為在以上的應(yīng)用下鍍金層被要求要較粗糙且不需具備光澤，這么一來鍍金層的厚度就可能較為豐富了(≧30μ-inches)。

    在大部份的應(yīng)用上，鍍金層的厚度會依后續(xù)所要進行的制程而改變，厚的鍍金層也不只是應(yīng)用在特定的用途，有時也提供作后續(xù)的錫回焊制程；但若焊接在厚度為30μ-inches到100μ-inches范圍的鍍金層時，將會導(dǎo)致焊接不良或焊接后質(zhì)地變脆，這些情況的發(fā)生使得在鍍金層上焊接的接點可靠性降低。在這些不友善的特以及可靠性不佳所造成成本的提高使得鍍金處理的市場萎縮，直到最近研究報告以及相關(guān)的影響被廣泛的討論后才見好轉(zhuǎn)。    

二、金的復(fù)原

由于在過去的幾年中，金元素在電子產(chǎn)業(yè)大量的被采用，所遭遇到的問題也逐一的浮上臺面，特別是在焊錫與鍍金處理的電路表面焊接所產(chǎn)生的問題最為被業(yè)界重視。在這篇文章中，我們將針對以下的主題做探討：

●在鍍金層上作焊接的制程

●制程與兩金屬間的聯(lián)結(jié)的產(chǎn)生。

●使接點的可靠性提高，乃至于使其壽命增長的制程所需考慮的因素。

三、鍍金層的厚度

在分析焊錫接點發(fā)生破壞后的金相結(jié)構(gòu)可發(fā)現(xiàn)，若鍍金層的厚度對焊錫接點的可靠性有直接的關(guān)聯(lián)，所幸電路板上所使用的鍍金層厚度大部份都是在5μ-inches到15μ-inches的范圍內(nèi)。對于鍍金層而言，有效的控制鍍層沉積，使產(chǎn)生較薄的鍍層厚度，并減少所存在的空孔是格外的重要，其理由如下：

◎能夠充份的完成焊接，且成本也較低廉。    

◎焊接后焊錫接點也不易產(chǎn)生脆化的現(xiàn)象。

◎能夠降低空孔生成的機率。

◎能夠減少在回焊過程中錫(Tin)的消耗量。

四、焊接的保護

鍍金層主要的用途是為了有效的保護底下的鎳層，由于焊接實際是發(fā)生在鍍金層底下的鎳層上，由此可知焊接的動作是否完成是要視其與鍍金層底下的鎳層熔合附著的情形而定，由于焊錫要與底層的鎳層聯(lián)接，所以在焊接時必須將金層熔解，正因為這樣，一個優(yōu)良且適合進行焊接的鍍金層必須要是較薄且須是緊密而低孔性(low-porosity)的。

當(dāng)薄的鍍金層被熔解后，接著焊錫就會恨很快的與鎳層完成聯(lián)結(jié)，所以鎳層必須要具備有極佳的活性(active)與焊接能力(solderable)，倘若鎳層未能具備上述的特性，則鍍金層的存在將變的沒有意義。在過去，由于我們對電鍍制程的誤解，經(jīng)常會忽略了其中的重要性(詳情請參閱”鍍金制程的執(zhí)行”該部份)。

對于鎳( Nickel)而言，雖然它也可與焊錫相熔接，但其反應(yīng)進行的速度仍然不及銅(Copper)，所以在進行焊錫焊接的過程中還是需要更多的能量以完成熔接的工作，這一點對于我們在進一步了解 焊錫膏(solder paste)在回焊過程中的反應(yīng)是相當(dāng)重要的，簡單的說就是在回焊的過程中，設(shè)法延長焊錫熔解成液態(tài)的時間，如此可使鎳與錫(Tin)達到充分的反應(yīng)。    

對于焊接反應(yīng)的完成與否，取決于在鎳與錫的界面是否已充分的反應(yīng)，并進而形成連續(xù)的共界合金層(continuous intermetallic compound，IMC)，此一鎳-錫共界合金反應(yīng)層(Nickel-Tin IMC reaction layer)形成的目的除了使元件完成與外界系統(tǒng)間的電性聯(lián)接外，同時也使元件在組裝系統(tǒng)中具備足夠的強度以對抗環(huán)境的破壞。

五、鍍金制程的執(zhí)行

讓我們再從另一個角度來看焊接的問題。若要使鎳層與焊錫順利的達成良好的熔接，就要在鎳層沉積的過程中特別注意其不純物的濃度(impurity level)，一般而言，鎳層中的不純物濃度是越低越好，即使是使用磷鎳無電解沉積(phosphorous nickel electroless deposits)在不純物濃度的控制依然是相當(dāng)要緊的；因為不論是不純物的共沉積作用(codeposition)或是吸藏(occlusion)現(xiàn)象在兩不同成份金屬的聯(lián)結(jié)反應(yīng)中，將會加速某一界面的生成，同時也會干擾兩成份間反應(yīng)的進行，這種干擾物會減少反應(yīng)進行過程中可供反應(yīng)物沉積的面積，如此一來將使兩成份間的聯(lián)結(jié)強度減弱，并將直接對其使用壽命造成沖擊。

因此，電鍍?nèi)芤罕仨氁赃m當(dāng)?shù)姆绞接枰员４媾c過濾，以減少共沉積作用(codeposition)以及污染物的吸藏(occlusion)。在含磷的磷鎳無電(phosphorous-nickel electroless)的例子中，使溶液中的含磷量保持在一個最低的范圍內(nèi)是相當(dāng)重要的，因為若在鎳沉積的過程中，溶液的含磷量超過一定比例將會妨礙鎳層的沉積，如此將使沉積層變的虛弱，在焊接的過程中，”破壞”就很容易在這個地方發(fā)生。    

六、脆化

由焊接脆化的觀點上來看，盡量控制鍍金層沉積的厚度在焊接上是相當(dāng)重要的，因為薄的鍍金層將可有效的減低金-錫界面合金成份(Gold-Tin IMC)的形厚度，在許多例子中都可清楚的看到在反應(yīng)界面的合金濃度是相當(dāng)大的，以較厚的鍍金層(＞20μ-inches)而言，在回焊過程中所產(chǎn)生的金-錫共界合金成份并不會均勻的分散在整個焊錫接點的結(jié)構(gòu)中，而是會使兩種成份形成一種分離的狀態(tài)，在分離狀態(tài)下金的濃度較大區(qū)域的焊錫接點處面臨反復(fù)的熱偏移(cyclic thermal excursions)后的完整性將大為降低。對于焊錫接點而言，在兩平板匹配的界面(flat mating surfaces)的部分對焊錫接點的可靠性最為敏感，存在有這樣的界面的區(qū)域包括電路板上表面粘著焊墊與芯片型元件(chip component)或海鷗腳造型接腳的元件(gull-wing leaded component)間的界面。

在較大的邊緣部份，若鍍金層的厚度過厚(＞40μ-inches)時，將對焊接的可靠性造成相當(dāng)大的沖擊，經(jīng)我們沿著鍍金的表面觀察焊接邊緣部份反應(yīng)后焊錫的濃度，金-錫共界合金成份主要是在表面粘著與電路板上的鍍金焊墊會形成完全飽和的聯(lián)結(jié)(complete saturation of confined connection)，這對于焊錫接點的可靠性有著相當(dāng)大的影響；在過去的例子中可發(fā)現(xiàn)焊錫接點上發(fā)生破壞最多的情況是在金-錫的共界合金層上，由于金錫共界合金成份(gold-tin IMC)易發(fā)生脆化，進而產(chǎn)生裂紋，在整個破壞的過程中，裂紋會沿著表面粘著元件(surface-mount component)與焊墊間的界面成長，嚴(yán)重的情況會對接點處產(chǎn)生破斷破壞，由此可知，通常在產(chǎn)生裂紋的區(qū)域的共通點就是其組裝焊錫厚度相當(dāng)?shù)谋。@有可能是因為元件放置(placement)過程中焊錫因不當(dāng)?shù)牟寮幹枚⑹А?   

有的時候廠商為了使元件在進行回焊之前就與電路板焊墊間達到良好的附著，而加大元件插件機的置件壓力，希望能藉由加大置件壓力使元件能深埋在焊錫膏之中，這樣的做法卻使原本刷印在電路板焊墊上的錫膏因置件壓力過大而脫離焊墊，這樣的情況將使得在這個區(qū)域中的焊錫在回焊過程中流失，最后導(dǎo)致在焊接反應(yīng)中輕易的在焊接的表面產(chǎn)生金-錫的飽和共界合金反應(yīng)(saturated IMC reaction)；由此可知，焊錫厚度對于進行焊接的特定區(qū)域而言是相當(dāng)重要的。附帶一提的是，在焊錫與金層表面進行反應(yīng)的同時，焊錫中的錫(Tin)會很容易被消耗，消耗過多的錫的焊錫會在焊接共界合金層(IMC layer)與鍍金層以及凝固的焊錫的這兩個界面間冷卻凝固，在材料的性質(zhì)上，焊接共界合金層(IMC layer)的質(zhì)地既硬且脆，反觀在兩界面附著的是一質(zhì)地松軟軟、且含鉛量較豐富的區(qū)域(lead-rich zone)，這一微細的結(jié)構(gòu)在面臨反復(fù)的熱偏移(cyclic thermal excursions)時是相當(dāng)脆弱的。    

七、空孔

空孔(void)形成的原因是一直存在著多種推測，一種比較特別的論點是認(rèn)為空孔的產(chǎn)生是由于固體(在此系為鍍金表層)中的氣體在加熱的過程中發(fā)生膨脹，而導(dǎo)致金屬內(nèi)部產(chǎn)生空孔，在這個論點是與鍍金表層有關(guān)的；除此之外，其它常被提到造成空孔的原因有收縮(shrinkage)以及殘留的助焊劑未能適時排除所導(dǎo)致。通常空孔都是在焊錫與鍍金層間進行焊接反應(yīng)的過程中，有機材料被大量的吸收所致。在此，吸藏作用在金屬沉積的任何一個步驟會發(fā)生。所以若想要有效的降低空孔的生成，就要謹(jǐn)慎的選擇添加物，選擇的重點可放在添加物的晶粒是否經(jīng)過精練(grain refiners)、沾濕作用劑(wetting agents)與光亮劑(brighteners)，否則在金屬沉積的過程中，有機的污染物(organic contaminants)將會大量的吸藏在金屬層中。而以上這些添加物能夠在焊錫熔解以及其與鍍金層產(chǎn)生反應(yīng)的過程中揮發(fā)(volatilize)或消散。

對于焊錫而言，光亮電鍍的沉積(bright-plated deposit)就象是排出氣體自由度的變因(the source of varying degrees of outgassing)，會導(dǎo)致空孔在焊接聯(lián)結(jié)處產(chǎn)生，這類空孔的形成是值得我們再進一步作探討的；當(dāng)空孔散出并移動到平板匹配表面(flat mating surfaces)的區(qū)域時，又由于在這個區(qū)域中的空孔的量相當(dāng)?shù)纳伲乙部湛撞蝗菀滓苿?，所以無法藉由與其它空孔合并以增加浮力，所以很難逃脫，存在的空孔將使整個結(jié)構(gòu)變的較為脆弱，因為裂紋將很容易從空孔存在的部位產(chǎn)生并隨之?dāng)U散開來，最后將造成焊錫聯(lián)結(jié)處發(fā)生破斷，一般來說，越薄的鍍金層將可限制有機材料的吸收與減少空孔發(fā)生的機率。    

八、鎳的消耗

回焊之后，在厚的鍍金層有許多界面合金成份的反應(yīng)發(fā)生，相對的在反應(yīng)發(fā)生處一定有許多錫(Tin)被消耗掉，由于在焊錫中的錫被消耗掉，使得在焊錫中鉛(lead)變成占大部份，如此將使得含鉛較豐富的區(qū)域質(zhì)地變脆；界面合金成份的濃度(Concentration)與空孔(Void)對于焊接的可靠性的傷害是相當(dāng)大的，由于可想象在面對鍍金`表面處理時要格外的注意。

九、考量的重點

以鍍金層作為表面處理的焊墊在焊錫焊接制程的運用上，有以下幾個要特別注意的重點：

◎鍍金層的厚度必須控制在5μ-inches到15μ-inches的范圍內(nèi)。

◎確認(rèn)在鍍金層下的鎳層(Nickel)為可焊接的。若所使用的鎳中含磷(Phosphorous-Nickel)，則含磷量必須要被控制在最低的劑量。一般而言，鎳的純度要越高越好。

◎在回焊的過程中，焊錫熔解成液相的時間要長，如此才可使焊錫與鎳充分的反應(yīng)，以期達到完全結(jié)合。

◎在電鍍金的過程中，要確保電鍍?nèi)芤旱馁|(zhì)量，其它如溶液的過濾、碳化處理以及制程控制也要同時配合。    

十、結(jié)論

由過去的經(jīng)驗中得知，二次反應(yīng)經(jīng)常會對材料的結(jié)構(gòu)造成破壞性的傷害；在金-錫焊接接點的破壞機制上也經(jīng)常可以看到類似的現(xiàn)象，在金-錫焊接點的二次反應(yīng)中，在金-錫界面會產(chǎn)生金-錫界面合金層，這樣的結(jié)果將使得焊錫接點的強度大受影響，進而縮短系統(tǒng)的使用年限，由此可知，在鍍金表面處理的焊墊上進行焊錫焊接是一種相當(dāng)復(fù)雜的學(xué)問。在面對業(yè)者不斷的要求要提高可靠性的前提下，再進一步的了解鍍金層結(jié)構(gòu)并嚴(yán)格的控制制程為不二法門，在良好的制程環(huán)境下將可有效的降低破壞發(fā)生的機會。