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为什么要使用镍钯金(ENEPIG)?

为什么要使用镍钯金(ENEPIG)?

发布日期:2020/12/15 11:24:31


前言

电子产品一直趋向轻薄短小、更高的运行速度,包含更多功能。为了达到以上要求,电子封装行业一直致力于开发更先进的封装方法,既提高单板上器件的密度,又将多种功能组合成单个高密度封装。

封装和互连密度的增加推动了组装方法从通孔技术(THT)到表面贴装技术(SMT)的发展,并且导致更多地使用引线键合将芯片连接到基板。 小的互连间距和芯片级封装(CSP)的使用使得器件密度增加,而多芯片模组(MCM)/系统级封装(SiP)使得在同一封装上嵌入更多功能从不可能变成现实。

半导体工业多年来通过减小芯片尺寸来提高器件的性能时,对于电子系统中的芯片须通过封装彼此互联这一事实关注较少。 大规模I/O及讯号传输质量的要求,使封装成为半导体工业重要考虑因素。为了满足封装工艺要求,实现可靠的连接,无论IC封装内实现互连的基板或者器件二级封装互联的PCB,线路板的表面处理技术都尤为重要。

本文描述了影响互连可靠性的关键因素,尤其侧重金线键合应用的表面处理特性。

表面处理金线键合的选择

虽然电镀镍金提供了优异的金线键合的性能,但它存在三个主要缺点,每个缺点都阻碍其在前沿应用中使用:

  • 需要相对较高的金层厚度,工艺成本很高。

  • 厚金层容易产生脆弱的锡-金金属间化合物(IMC),焊点之可靠性降低。为了增加焊点之可靠性,可在需要焊锡的地方使用不同的表面处理,然而却会增加额外的工艺成本。

  • 电镀工艺需要使用电镀线,限制了封装载板的设计自由度和布线密度。

电镀镍金的这些限制为化学镀的选择提供了空间。化学镀的技术包括化学镀镍浸金(ENIG),化学镀镍化学镀金(ENEG)及化学镀镍钯浸金(ENEPIG)。

在这三种选择中,ENIG是基本上不用考虑的,因为它不具有高可靠性金线键合特性(尽管它已被用于一些低端消费产品中),而ENEG具有和电镀镍金同样高的生产成本,在工艺方面亦充满复杂挑战。

虽然化学镀镍钯浸金(ENEPIG)最初是在20世纪90年代末出现的,但其市场接受度却被2000年左右钯金属价格的波动推迟所推迟(2000年时,钯金属价格被炒到不合理的高位)。 但是ENEPIG可以满足许多新的封装应用,满足可靠性需求,同时满足无铅/ ROHS要求,近年市场需求呈现强劲增长。

除了在封装可靠性的优势上,ENEPIG的成本则是另一优势。近年金价上升超过US$800/oz,要求电镀厚金的电子产品便很难控制成本。而钯金属的价格(US$300/oz)相对于金价来说远低于一半,用钯代替金则有明显优势。

表面处理的比较

目前适合细小引脚的QFP/BGA器件的线路板,主要有4种无铅表面处理

  • 化学浸锡(Immersion Tin)

  • 化学浸银(Immersion silver)

  • 有机焊锡保护剂(OSP)

  • 化学镀镍浸金(ENIG)

下表列举出这4种表面处理跟ENEPIG的对比。在这4种表面处理中,没有一种表面处理能同时满足无铅组装工艺的所有需求,尤其是当考虑到多重再流焊能力、组装前的耐储时间及金线键合能力。相反,ENEPIG却有优良耐储时间,焊点可靠度,金线键合能力和能够作为按键触碰表面,有明显优势。而且ENEPIG在最后置换金的沉积反应中,化学镀钯层会保护镍层防止被置换金过度腐蚀。

表 1 – 不同表面处理性能之比较

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从各表面处理在不同组装方法上的表现来看,ENEPIG能够同时满足多种不同组装的要求。

表2–不同表面处理对不同组装方法之表现

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金线键合可靠性的比较

在相同金线键合的条件下(用第二焊点拉力测试2nd bond pull test),ENEPIG表现出跟电镀镍金相近的金线键合可靠性。

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在ENEPIG样本抗拉力测试中,观察到主要的金线键合失效模式是断裂在金线中部及十分之少量的在颈状部位。没有金线不接合和接合点断开的情况发生。blob.png


此测试结果显示出ENEPIG在金线键合上能够很好的代替电镀镍金。

使用ENEPIG的优势

ENEPIG最重要的优点是同时间有优良的锡焊可靠性及金线键合可靠性,细列举如下:

  1. 防止“黑镍问题”的发生——没有置换金攻击镍的表面造成晶界腐蚀

  2. 化学镀钯会作为阻挡层,阻止铜向表面的扩散,从而确保良好的可焊性

  3. 化学镀钯层会完全溶解在焊料之中,在合金界面上不会有高磷层的出现。同时当化学镀钯溶解后会露出化学镀镍层用来生成良好的镍-锡合金

  4. 能承受多次无铅再流焊循环

  5. 有优良的金线键合特性

  6. 工艺成本比电镀镍金及化学镀镍金低


ENEPIG(镍钯金)的优点

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从各表面处理在不同组装方法上的表现来看,ENEPIG能够同时满足多种不同组装的要求。




文章关键词:镍钯金加工
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