一、前言

     由於金元素具有多用途的特性，使得在電子産業(yè)的許多地方皆可見到金元素被採用，例如在作爲(wèi)抗腐蝕(etchresist)、電路聯(lián)接的錶麵處理(contact surface finish)、保護(hù)層(protective coating)、提供適閤打金線錶麵處理(wire bonded surface finish)、芯片貼附錶麵處理(die attach surface finish)以及提供良好的焊接性質(zhì)的錶麵塗覆(solderable coating)等等。當(dāng)金被利用在焊接處理時(shí)有些重點(diǎn)需要特彆的留意，不當(dāng)?shù)氖褂脤?huì)對(duì)焊接製程造成相當(dāng)大的衝擊，且也會(huì)對(duì)焊錫聯(lián)結(jié)的性質(zhì)造成重大的影響。

    從前鍍金層沈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，鍍金層沈積的厚度是與所應(yīng)用的場閤及電鍍液有密切的關(guān)繫；在較硬、較細(xì)晶粒鍍層的應(yīng)用上就需要選用較應(yīng)的共沈積(codeposited)成份，添加晶粒細(xì)化劑(grain-refining additives)與亮光劑(brightener)。在一般的場閤中，鍍層都具有平坦、光亮與較薄等的特性(≦30μ-inches)。在其牠如在芯片貼附區(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牠的添加物，因爲(wèi)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，這麼一來鍍金層的厚度就可能較爲(wèi)豐富瞭(≧30μ-inches)。

    在大部份的應(yīng)用上，鍍金層的厚度會(huì)依後續(xù)所要進(jìn)行的製程而改變，厚的鍍金層也不隻是應(yīng)用在特定的用途，有時(shí)也提供作後續(xù)的錫迴焊製程；但若焊接在厚度爲(wèi)30μ-inches到100μ-inches範(fàn)圍的鍍金層時(shí)，將會(huì)導(dǎo)緻焊接不良或焊接後質(zhì)地變脆，這些情況的髮生使得在鍍金層上焊接的接點(diǎn)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(bào)告以及相關(guān)的影響被廣泛的討論後纔見好轉(zhuǎn)。    

二、金的複原

由於在過去的幾年中，金元素在電子産業(yè)大量的被採用，所遭遇到的問題也逐一的浮上颱麵，特彆是在焊錫與鍍金處理的電路錶麵焊接所産生的問題最爲(wèi)被業(yè)界重視。在這篇文章中，我們將針對(duì)以下的主題做探討：

●在鍍金層上作焊接的製程

●製程與兩金屬間的聯(lián)結(jié)的産生。

●使接點(diǎn)的可靠性提高，乃至於使其壽命增長的製程所需考慮的因素。

三、鍍金層的厚度

在分析焊錫接點(diǎn)髮生破壞後的金相結(jié)構(gòu)可髮現(xiàn)，若鍍金層的厚度對(duì)焊錫接點(diǎn)的可靠性有直接的關(guān)聯(lián)，所倖電路闆上所使用的鍍金層厚度大部份都是在5μ-inches到15μ-inches的範(fàn)圍內(nèi)。對(duì)於鍍金層而言，有效的控製鍍層沈積，使産生較薄的鍍層厚度，併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。    

◎焊接後焊錫接點(diǎn)也不易産生脆化的現(xiàn)象。

◎能夠降低空孔生成的機(jī)率。

◎能夠減少在迴焊過程中錫(Tin)的消耗量。

四、焊接的保護(hù)

鍍金層主要的用途是爲(wèi)瞭有效的保護(hù)底下的鎳層，由於焊接實(shí)際是髮生在鍍金層底下的鎳層上，由此可知焊接的動(dòng)作是否完成是要視其與鍍金層底下的鎳層熔閤附著的情形而定，由於焊錫要與底層的鎳層聯(lián)接，所以在焊接時(shí)必鬚將金層熔解，正因爲(wèi)這樣，一箇優(yōu)良且適閤進(jìn)行焊接的鍍金層必鬚要是較薄且鬚是緊密而低孔性(low-porosity)的。

當(dāng)薄的鍍金層被熔解後，接著焊錫就會(huì)恨很快的與鎳層完成聯(lián)結(jié)，所以鎳層必鬚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，由於我們對(duì)電鍍製程的誤解，經(jīng)常會(huì)忽略瞭其中的重要性(詳情請(qǐng)蔘閲”鍍金製程的執(zhí)行”該部份)。

對(duì)於鎳( Nickel)而言，雖然牠也可與焊錫相熔接，但其反應(yīng)進(jìn)行的速度仍然不及銅(Copper)，所以在進(jìn)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(diǎn)對(duì)於我們?cè)谶M(jìn)一步瞭解 焊錫膏(solder paste)在迴焊過程中的反應(yīng)是相當(dāng)重要的，簡單的説就是在迴焊的過程中，設(shè)法延長焊錫熔解成液態(tài)的時(shí)間，如此可使鎳與錫(Tin)達(dá)到充分的反應(yīng)。    

對(duì)於焊接反應(yīng)的完成與否，取決於在鎳與錫的界麵是否已充分的反應(yīng)，併進(jìn)而形成連續(xù)的共界閤金層(continuous intermetallic compound，IMC)，此一鎳-錫共界閤金反應(yīng)層(Nickel-Tin IMC reaction layer)形成的目的除瞭使元件完成與外界繫統(tǒng)間的電性聯(lián)接外，衕時(shí)也使元件在組裝繫統(tǒng)中具備足夠的強(qiáng)度以對(duì)抗環(huán)境的破壞。

五、鍍金製程的執(zhí)行

讓我們?cè)購牧硪还w角度來看焊接的問題。若要使鎳層與焊錫順利的達(dá)成良好的熔接，就要在鎳層沈積的過程中特彆註意其不純物的濃度(impurity level)，一般而言，鎳層中的不純物濃度是越低越好，卽使是使用磷鎳無電解沈積(phosphorous nickel electroless deposits)在不純物濃度的控製依然是相當(dāng)要緊的；因爲(wèi)不論是不純物的共沈積作用(codeposition)或是吸藏(occlusion)現(xiàn)象在兩不衕成份金屬的聯(lián)結(jié)反應(yīng)中，將會(huì)加速某一界麵的生成，衕時(shí)也會(huì)榦擾兩成份間反應(yīng)的進(jìn)行，這種榦擾物會(huì)減少反應(yīng)進(jìn)行過程中可供反應(yīng)物沈積的麵積，如此一來將使兩成份間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度減弱，併將直接對(duì)其使用壽命造成衝擊。

因此，電鍍?nèi)芤罕佤P以適當(dāng)?shù)姆绞接枰员４媾c過濾，以減少共沈積作用(codeposition)以及汙染物的吸藏(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箇最低的範(fàn)圍內(nèi)是相當(dāng)重要的，因爲(wèi)若在鎳沈積的過程中，溶液的含磷量超過一定比例將會(huì)妨礙鎳層的沈積，如此將使沈積層變的虛弱，在焊接的過程中，”破壞”就很容易在這箇地方髮生。    

六、脆化

由焊接脆化的觀點(diǎn)上來看，盡量控製鍍金層沈積的厚度在焊接上是相當(dāng)重要的，因爲(wèi)薄的鍍金層將可有效的減低金-錫界麵閤金成份(Gold-Tin IMC)的形厚度，在許多例子中都可清楚的看到在反應(yīng)界麵的閤金濃度是相當(dāng)大的，以較厚的鍍金層(＞20μ-inches)而言，在迴焊過程中所産生的金-錫共界閤金成份併不會(huì)均勻的分散在整箇焊錫接點(diǎn)的結(jié)構(gòu)中，而是會(huì)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(diǎn)處麵臨反覆的熱偏移(cyclic thermal excursions)後的完整性將大爲(wèi)降低。對(duì)於焊錫接點(diǎn)而言，在兩平闆匹配的界麵(flat mating surfaces)的部分對(duì)焊錫接點(diǎn)的可靠性最爲(wèi)敏感，存在有這樣的界麵的區(qū)域包括電路闆上錶麵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)間的界麵。

在較大的邊緣部份，若鍍金層的厚度過厚(＞40μ-inches)時(shí)，將對(duì)焊接的可靠性造成相當(dāng)大的衝擊，經(jīng)我們沿著鍍金的錶麵觀察焊接邊緣部份反應(yīng)後焊錫的濃度，金-錫共界閤金成份主要是在錶麵粘著與電路闆上的鍍金焊墊會(huì)形成完全飽和的聯(lián)結(jié)(complete saturation of confined connection)，這對(duì)於焊錫接點(diǎn)的可靠性有著相當(dāng)大的影響；在過去的例子中可髮現(xiàn)焊錫接點(diǎn)上髮生破壞最多的情況是在金-錫的共界閤金層上，由於金錫共界閤金成份(gold-tin IMC)易髮生脆化，進(jìn)而産生裂紋，在整箇破壞的過程中，裂紋會(huì)沿著錶麵粘著元件(surface-mount component)與焊墊間的界麵成長，嚴(yán)重的情況會(huì)對(duì)接點(diǎn)處産生破斷破壞，由此可知，通常在産生裂紋的區(qū)域的共通點(diǎn)就是其組裝焊錫厚度相當(dāng)?shù)谋?，這有可能是因爲(wèi)元件放置(placement)過程中焊錫因不當(dāng)?shù)牟寮幹枚⑹А?   

有的時(shí)候廠商爲(wèi)瞭使元件在進(jìn)行迴焊之前就與電路闆焊墊間達(dá)到良好的附著，而加大元件插件機(jī)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闆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箇區(qū)域中的焊錫在迴焊過程中流失，最後導(dǎo)緻在焊接反應(yīng)中輕易的在焊接的錶麵産生金-錫的飽和共界閤金反應(yīng)(saturated IMC reaction)；由此可知，焊錫厚度對(duì)於進(jìn)行焊接的特定區(qū)域而言是相當(dāng)重要的。附帶一提的是，在焊錫與金層錶麵進(jìn)行反應(yīng)的衕時(shí)，焊錫中的錫(Tin)會(huì)很容易被消耗，消耗過多的錫的焊錫會(huì)在焊接共界閤金層(IMC layer)與鍍金層以及凝固的焊錫的這兩箇界麵間冷卻凝固，在材料的性質(zhì)上，焊接共界閤金層(IMC layer)的質(zhì)地?cái)睬掖?，反觀在兩界麵附著的是一質(zhì)地鬆軟軟、且含鉛量較豐富的區(qū)域(lead-rich zone)，這一微細(xì)的結(jié)構(gòu)在麵臨反覆的熱偏移(cyclic thermal excursions)時(shí)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，一種比較特彆的論點(diǎn)是認(rèn)爲(wèi)空孔的産生是由於固體(在此繫爲(wèi)鍍金錶層)中的氣體在加熱的過程中髮生膨脹，而導(dǎo)緻金屬內(nèi)部産生空孔，在這箇論點(diǎn)是與鍍金錶層有關(guān)的；除此之外，其牠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(shí)排除所導(dǎo)緻。通?？湛锥际窃诤稿a與鍍金層間進(jìn)行焊接反應(yīng)的過程中，有機(jī)材料被大量的吸收所緻。在此，吸藏作用在金屬沈積的任何一箇步驟會(huì)髮生。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(diǎn)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)，否則在金屬沈積的過程中，有機(jī)的汙染物(organic contaminants)將會(huì)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産生反應(yīng)的過程中揮髮(volatilize)或消散。

對(duì)於焊錫而言，光亮電鍍的沈積(bright-plated deposit)就象是排齣氣體自由度的變因(the source of varying degrees of outgassing)，會(huì)導(dǎo)緻空孔在焊接聯(lián)結(jié)處産生，這類空孔的形成是值得我們?cè)龠M(jìn)一步作探討的；當(dāng)空孔散齣併移動(dòng)到平闆匹配錶麵(flat mating surfaces)的區(qū)域時(shí)，又由於在這箇區(qū)域中的空孔的量相當(dāng)?shù)纳?，且也空孔不容易移?dòng)，所以無法藉由與其牠空孔閤併以增加浮力，所以很難逃脫，存在的空孔將使整箇結(jié)構(gòu)變的較爲(wèi)脆弱，因爲(wèi)裂紋將很容易從空孔存在的部位産生併隨之?dāng)U散開來，最後將造成焊錫聯(lián)結(jié)處髮生破斷，一般來説，越薄的鍍金層將可限製有機(jī)材料的吸收與減少空孔髮生的機(jī)率。    

八、鎳的消耗

迴焊之後，在厚的鍍金層有許多界麵閤金成份的反應(yīng)髮生，相對(duì)的在反應(yīng)髮生處一定有許多錫(Tin)被消耗掉，由於在焊錫中的錫被消耗掉，使得在焊錫中鉛(lead)變成佔(zhàn)大部份，如此將使得含鉛較豐富的區(qū)域質(zhì)地變脆；界麵閤金成份的濃度(Concentration)與空孔(Void)對(duì)於焊接的可靠性的傷害是相當(dāng)大的，由於可想象在麵對(duì)鍍金`錶麵處理時(shí)要格外的註意。

九、考量的重點(diǎn)

以鍍金層作爲(wèi)錶麵處理的焊墊在焊錫焊接製程的運(yùn)用上，有以下幾箇要特彆註意的重點(diǎn)：

◎鍍金層的厚度必鬚控製在5μ-inches到15μ-inches的範(fàn)圍內(nèi)。

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

◎在迴焊的過程中，焊錫熔解成液相的時(shí)間要長，如此纔可使焊錫與鎳充分的反應(yīng)，以期達(dá)到完全結(jié)閤。

◎在電鍍金的過程中，要確保電鍍?nèi)芤旱馁|(zhì)量，其牠如溶液的過濾、碳化處理以及製程控製也要衕時(shí)配閤。    

十、結(jié)論

由過去的經(jīng)驗(yàn)中得知，二次反應(yīng)經(jīng)常會(huì)對(duì)材料的結(jié)構(gòu)造成破壞性的傷害；在金-錫焊接接點(diǎn)的破壞機(jī)製上也經(jīng)?？梢钥吹筋愃频默F(xiàn)象，在金-錫焊接點(diǎn)的二次反應(yīng)中，在金-錫界麵會(huì)産生金-錫界麵閤金層，這樣的結(jié)果將使得焊錫接點(diǎn)的強(qiáng)度大受影響，進(jìn)而縮短繫統(tǒng)的使用年限，由此可知，在鍍金錶麵處理的焊墊上進(jìn)行焊錫焊接是一種相當(dāng)複雜的學(xué)問。在麵對(duì)業(yè)者不斷的要求要提高可靠性的前提下，再進(jìn)一步的瞭解鍍金層結(jié)構(gòu)併嚴(yán)格的控製製程爲(wèi)不二法門，在良好的製程環(huán)境下將可有效的降低破壞髮生的機(jī)會(huì)。