電子封裝陶瓷基板如何進行表面修飾？

陶瓷基板

?以氧化鋁、氮化鋁、氮化硅為主流的陶瓷基板是當下電子封裝領域不可或缺的基礎材料，它們既是芯片和阻容元件的承載體，實現導電和互連的功能，也是芯片的保護體，發(fā)揮著抵御服役環(huán)境應力沖擊及濕熱腐蝕的作用。其具有的與芯片熱膨脹系數匹配、耐高溫、耐腐蝕、散熱能力強、介電常數小、化學性質穩(wěn)定、結構致密、絕緣性好、成本低廉、適合大規(guī)模生產等優(yōu)點，在快速發(fā)展的高可靠電子封裝領域有著進一步提升適應性的潛力。

電子封裝

依據生產工藝的不同，陶瓷基板有著眾多種類，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。

金屬化后的氧化鋁基板

目前，電子封裝基板一般通過沉積化學性質穩(wěn)定的貴金屬Au來修飾表面導體，主要采用化學鍍鎳/浸金(ENIG)和化學鍍鎳/鈀/浸金(ENEPIG)這兩種工藝。

兩種常用的基板表面鍍金修飾技術

ENIG工藝

ENIG工藝是先在Cu焊盤上化學鍍Ni，再通過置換反應在Ni層表面獲得一層Au，具有抗氧化性好、存儲時間久、平整度高等優(yōu)點，其工藝流程為：清洗→酸洗→微蝕→活化→化學鍍Ni→浸Au。

由于焊盤基材是Cu，表面極易形成不導電的氧化膜，不僅影響導電性，而且不利于化學鍍Ni，通過清洗、酸洗步驟初步處理銅焊盤表面，提高表面一致性及潤濕性；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，再進行化學鍍Ni到所需厚度；而在化學浸Au過程中，金屬鎳與溶液中的金離子發(fā)生置換反應，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，為了避免焊接時出現“金脆”現象，作為焊盤的鍍Au層往往控制得很?。ㄒ话銥?.03 ~ 0.15μm）。為了抵抗外界服役環(huán)境對金屬導體的氧化和腐蝕，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，從而達到良好的防腐蝕效果和防底層金屬擴散效果。然而鍍層并非越厚越好，必須保證化學鍍Ni/Au后的線寬和線距都大于60 μm，否則Ni會發(fā)生嚴重交聯。

三維基板封裝陶瓷管殼

ENEPIG 工藝

在上述ENIG工藝中，由于鍍Au層很薄，會出現Ni底層在高溫作用下沿著Au的晶界加速向Au層表面擴散，氧化生成NiO而使焊盤變色的現象。為了克服ENIG工藝存在的黑焊盤問題，逐漸發(fā)展出ENEPIG工藝，即化學鍍鎳/鈀/浸金工藝，簡稱鎳鈀金工藝，其工藝流程為：清洗→酸洗→微蝕→活化→化學鍍Ni→清洗→化學鍍Pd→清洗→浸Au。

在ENEPIG工藝中，浸Au的置換反應由ENIG工藝中的Au取代Ni轉變?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工藝作為焊盤表面修飾工藝具有以下諸多優(yōu)勢：

（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焊盤帶來的“金脆”問題，提高焊盤可焊性。同時，增大Pd層厚度可提高焊盤的表面潤濕性，減小金屬間化合物應力，提高焊接可靠性和力學性能。

（2）防止Ni過氧化

ENIG工藝中的黑焊盤問題不容忽視，尤其在高可靠大規(guī)模集成電路中，若基板擁有1000個以上的高密度焊盤，即使發(fā)生黑焊盤現象的概率較低，也會對整個器件產生致命的影響。在Ni層表面鍍Pd可以避免浸Au過程中鍍液對Ni晶界的過氧化侵蝕。

（3）阻止Cu/Ni遷移

Pd作為額外的阻擋層，本身化學性質穩(wěn)定，在400℃以下難以被氧化，化學鍍Pd層均勻、致密，可抑制Cu導體和Ni層向Au層表面的熱擴散。在后續(xù)器件制造和服役過程中，在高溫下能夠提供一個更穩(wěn)定的界面。

兩種工藝鍍層的微觀結構