CN102956604A - 薄镍-钯-金镀层、带有导线的此镀层所成封装结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供薄镍-钯-金镀层、带有导线的此镀层所成封装结构及其制作方法，其位于一焊垫上，此薄镍-钯-金镀层包含位于焊垫上的镍层；位于镍层上的钯层；与位于钯层上的金层，其中镍层具有较已知镍层为薄的厚度，例如，小于3.5μm。进一步，此薄镍-钯-金镀层与接合于金层上的导线成为封装结构。本发明亦提供此薄镍-钯-金镀层以及此封装结构的制作方法。本发明应用较薄的镍层，可以降低待镀焊垫间的距离，达到图案细小化的要求，另外，较薄的镍层亦使此层的应力下降，进而使整体镍-钯-金镀层的应力下降，达到高温工艺时应力值相对较低的优势。

Description

薄镍-钯-金镀层、带有导线的此镀层所成封装结构及其制作方法

技术领域

本发明有关薄镍-钯-金镀层，其中镍层具有较已知技艺为薄的厚度，因而达到图案细小化与高温工艺时应力值相对较低的优势。此外，本发明亦有关此薄镍-钯-金镀层的制法，此镀层与导线所成封装结构及此封装结构的制法。

背景技术

在晶圆、液晶显示器基板、陶瓷基板、铝基板、IC载板与印刷电路板等电子工业零件的封装工艺上，需于构成电性连接的焊垫表面上形成化镍金层，以提升导线与焊垫在焊接上的接合性与耐蚀性。但在焊垫上形成镍层后进行无电解镀金以形成金层时，镍与金的取代反应会对镍层中所析出粒子的粒界部分进行强烈地选择性攻击，导致金层下方形成残缺部分而产生蚀孔，相对的镍层将变得脆弱，在焊接时将无法确保充分的焊接接合强度。

因此，化镍钯金工艺被提出。经由钯层来避免金对镍强烈攻击的现象，可以解决上述问题。但是另一方面，却使得整体镀层的厚度增加，限制了图案的精细程度。

因应未来科技蓬勃发展，线路密集、细小化为未来科技的新趋势。为达到此需求，于传统表面处理的化学镍钯金工艺中，有必要降低化学镍层的厚度，使整体镀层的厚度下降，进而降低待镀焊垫间的距离，达到图案细小化的要求。再者，由于化学镍层提供大部分化学镍钯金层的应力，所以经由降低镍层厚度，可使镍层的应力下降，进而使整体镀层的应力下降，达到高温工艺时应力值相对较低的优势。

有鉴于此，本发明针对上述已知技术的缺失，提出一种新颖的薄镍-钯-金镀层及其制作方法、薄镍-钯-金镀层与导线所成封装结构及其制作方法，以有效克服上述的这些问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供薄镍-钯-金镀层及其制作方法。本发明的镀层及其制作方法使用较薄的镍层，达到图案细小化的要求，并使整体镀层的应力下降，同时保有导线与焊垫的接合可靠度，故可减低成本。

本发明的另一目的在于提供上述薄镍-钯-金镀层与导线所成的封装结构及其制作方法，本发明的封装结构及其制作方法使用较薄的镍层，能提升导线与焊垫的接合可靠度，并可减低成本。

详言之，本发明提供一种薄镍-钯-金镀层，其位于焊垫上，该薄镍-钯-金镀层包括于焊垫上的镍层，于镍层上的钯层，以及于钯层上的金层，其中该镍层具有较已知镍层为薄的厚度，例如，小于3.5μm，较佳为1.0至2.5μm，亦可为0.65至2.0μm，或是为2.0至3.5μm。

本发明提供一种薄镍-钯-金镀层的制作方法，包括提供焊垫，于焊垫上形成镍层，于镍层上形成钯层，以及于钯层上形成金层，其中控制该镍层的厚度使其较已知镍层厚度为薄，例如，小于3.5μm，较佳为1.0至2.5μm，亦可为0.65至2.0μm，或是为2.0至3.5μm。本发明中形成镍层、钯层与金层的步骤可以利用此技术领域中公知惯用的方法达成，例如，置换型、还原型或者半置换半还原型反应的化学镀敷方法，且本发明不限于前述方法，只要是可以形成镍层、钯层与金层目的的任何方法皆可应用。

本发明亦提供一种上述薄镍-钯-金镀层与导线所成封装结构，其包含焊垫；位于焊垫上的镍层，于镍层上的钯层；位于钯层上的金层；以及于金层上的导线。

本发明尚提供一种上述薄镍-钯-金镀层与导线所成封装结构的制作方法，其包含提供焊垫；于焊垫上形成镍层，于镍层上形成钯层；于钯层上形成金层；最后，于金层上接合导线。本发明中的导线接合可以利用技术领域中公知惯用的方法达成，例如，焊接或是打线接合，且不限于前述方法，只要是可以达成导线接合目的的任何方法皆可应用。

下文中经由具体实施例详细说明本发明，所属技术领域中具有通常知识者当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效，但是应了解，本发明并不限于这些具体实施例所述细节。

于本说明中，除非另有不同表明，否则所有的量，包括用量、百分比、份数、及比例，都理解以"约"字修饰，且各数量皆无意为任何有效位数的表示。

除非另有不同表明，否则冠词“一”意图表示“一或多”。“包含”与“包括”等词意图作概括性表示，而且表示除所列成份、组件外还可有额外的成份、组件。

附图说明

图1是已知镍-钯-金镀层的结构示意图。

图2是本发明薄镍-钯-金镀层的结构示意图。

图3本发明的薄镍-钯-金镀层的较佳制作步骤流程图。

图4本发明的薄镍-钯-金镀层与导线接合的封装结构示意图。

图5是焊垫与合金锡球经加热回焊形成IMC化合物的示意图。

图6是焊接结构中镍层厚度与回焊次数对移除锡球所需剪应力的作图。

图7是焊接结构中镍层厚度与回焊次数对剪应力断裂面组成的作图。

图8是焊接结构中镍层厚度与回焊次数对移除锡球所需拉应力的作图。

图9是焊接结构中镍层厚度与回焊次数对拉应力断裂面组成的作图。

图10是焊接结构中镍层厚度与回焊次数对高速移除锡球所需剪应力的作图。

图11是焊接结构中镍层厚度与回焊次数对高速剪应力断裂面组成的作图。

图12是打线接合结构中镍层厚度对拉除金线所需拉应力的作图。

【主要组件符号说明】

10：焊垫

12：镍层

14：钯层

16：金层

30：封装结构

32：导线

具体实施方式

本发明揭示一种薄镍-钯-金镀层及其制作方法。针对欲进行导线封装工艺的焊垫表面进行表面处理，以在焊垫表面依序形成镍层、钯层与金层，其中该镍层的厚度较已知者为薄，因此达到图案细小化的要求，并使整体镀层的应力下降，同时保有导线与焊垫的接合可靠度，故可减低成本。

在上述镀层及制作方法中，较佳地，焊垫为铜所成；镍层利用还原反应形成，其材质可为纯镍或是镍磷合金，其厚度为小于3.5μm，较佳为1.0至2.5μm，亦可为0.65至2.0μm，或是为2.0至3.5μm；钯层可以是利用置换反应、或者置换反应与还原反应二阶段来形成，或者是使用单一溶液同步进行置换与还原反应所形成，其材质可以是纯钯或者是钯磷合金；金层为利用置换型、还原型或者半置换半还原型反应形成。

参阅图1，其是已知镍-钯-金镀层的示意图；图2则是本发明薄镍-钯-金镀层的示意图。在图1与图2中，镀层包含有依序于焊垫(10)上形成的镍层(12)、钯层(14)以及金层(16)。D表示相邻焊垫之间的距离，d表示完成的镍-钯-金镀层上金层相邻表面之间的距离。可以清楚看出，本发明因为使用较薄的镍层，使得相邻焊垫之间的距离(D)与所成镀层上金层相邻表面的距离(d)二者均可缩短，达到图案细小化的进步性功效。

本发明薄镍-钯-金镀层的较佳制作方法如图3所示，其包括提供焊垫10(步骤S1)，进行还原反应于焊垫10表面形成镍层12(步骤S2)，再以置换型或还原型或半置换半还原型反应形成钯层14(步骤S3)，最后，以置换型或还原型或半置换半还原型反应形成覆盖于钯层14上的金层16(步骤S4)，形成如图2所示的薄镍-钯-金镀层。

根据本发明，镍层12的厚度为小于3.5μm，较佳为1.0至2.5μm，亦可为0.65至2.0μm，或是为2.0至3.5μm；钯层14的厚度为0.03～0.2μm，亦可为0.03～0.07μm，较佳为0.06～0.12μm，亦佳为0.09～0.2μm；金层16的厚度为0.03～0.2μm，亦可为0.03～0.07μm，较佳为0.06～0.12μm，亦佳为0.09～0.2μm。

根据本发明，各步骤S2、S3、S4的操作温度大约在25℃～95℃的范围，酸碱值约在pH 4～9之间。

参阅图4，其是本发明的薄镍-钯-金镀层与导线所成封装结构示意图。如图所示，本发明的封装结构30，包含有焊垫10；位于焊垫10上且紧邻焊垫10的镍层12；位于镍层12上且紧邻镍层12的钯层14；位于钯层14上且紧邻钯层14的金层16；以及接合于金层16上以与焊垫10形成电性连接的导线32。

上述导线32与金层16的接合可以经由打线接合或是焊接达成。导线32可以是金线、铜线或者钯铜线。

本发明的薄镍-钯-金镀层经由应用厚度较薄的镍层使整体镀层的应力下降，同时保有导线与焊垫的接合可靠度。详细制作流程与性质测试说明如下。

实例1：试片制备

依据下列步骤1～8制备薄镍-钯-金镀层的试片。

步骤1.浸泡脱脂清洁剂5分钟后以热水洗1分钟

此步骤的目的在于将焊垫铜表面上的油脂清除，使其于后续步骤中易于反应溶液接触，达到所需效果。

步骤2.浸泡微蚀液1分钟后以水洗1分钟

此步骤的目的在于将铜表面蚀刻出粗糙度，来提供镍层与铜层之间的磨擦力，使其接合良好。

步骤3.酸洗1分钟后以水洗1分钟

此步骤的目的在于洗去铜表面间的氧化物，让铜表面保持清洁。

步骤4.预浸1分钟

此步骤的目的亦是为了洗去铜层表面的氧化物，并且不要破坏后续活化步骤中溶液的pH值。

步骤5.活化1分钟后以水洗1分钟

此步骤的目的在于使铜面上沉积出镍还原的催化剂，提升后面化学镍层的沉积速度。

步骤6.化学镍(时间视所需厚度而定)后以水洗1分钟

此步骤利用次磷酸根还原剂来使镍离子还原在金属铜上，形成镍磷合金层。

步骤7.以已知的化学法上钯镀层(0.1μm)

此步骤8.以已知的化学法上金镀层(0.1μm)

实例2：焊接导线及测试

于焊垫上放置上合金锡球(Sn：96.5Ag：3Cu：0.5)，再将此焊垫与合金锡球一同送进高温炉中加热回焊(260℃)，在此时合金锡球会熔融并与焊垫间发生反应并形成金属间化合物(IMC)，详如图5所示，藉此提供良好的接着能力。应指出，图5上的OSP指有机保焊剂，为众多铜表面处理中的一种，但是图5所示仅为焊接技术的例示说明，本发明并不限于这些特定焊接方式与条件。

此焊接的接着能力可以用下述评估方法1～4进行评估：

评估1.推球(横向速度170μm/s→)

焊接锡球与焊垫接着后，断裂的施力可能来自于横向，于是，此评估仿真给予接着的锡球一横向推力，测量将锡球移除所需推力(剪应力)，藉此评估横向接着能力。

评估2.拉球(纵向速度5000μm/s↑)

焊接锡球与基板接着后，断裂的施力亦可能来自于纵向，于是，此评估仿真给予接着的锡球一纵向拉力，测量将锡球移除所需拉力(拉应力)，藉此评估纵向接着能力。

评估3.HSS(High speed shear)高速推球(横向速度2000mm/s→)

相较于评估1的推球速度比较慢，此评估则为高速推球的试验。当推球速度较高时，推力所累积的形变量没办法经由锡球分散掉，所以推力会直接反映在接着点最脆弱的地方，藉此观察高速掉落下接着点的机械强度。

评估4.断裂模式(Fai lure mode)

若断裂发生于锡球的纯锡部份，表示施力所造成的形变量全部由锡球吸收，并没有将形变传至锡球与焊垫所形成的IMC化合物上。如果断裂发生于锡球与焊垫所形成的IMC化合物部份，表示断裂发生在IMC化合物上的脆弱点，此为较差结果。

实例3：打线接合(金线)及测试

于焊垫上接着上一条1mil的金线之后，测量将此金线从焊垫上拉除所需力量(拉应力)，得知金线与焊垫间的接着强度。

实例4：FIB(Focused Ion Beam)

利用强电子束将合金锡球与接着焊垫间进行纵向切割。可以观察到纵面中最上面是锡，中间是IMC化合物，下面是焊垫。藉此观察接口间的组成变化。

测试结果

结果1.推球(横向速度170μm/s→)

如上述评估1，测量由不同镍层厚度(0.5～5μm)与不同回焊次数(3、5、10次)所成焊接结构中移除锡球所需推力(剪应力)，详如图6所示。图中的符号■表示(平均值+标准偏差)；◆表示(平均值)；▲表示(平均值-标准偏差)。

另外，以金像显微镜观察的断裂面结果如图7所示。综合图6、图7的结果，可以发现到，镍层厚度于0.5～5μm之间变化时，普通推球测试的剪应力差异性不大，皆符合一般的需求。所以当镍层厚度下降时，可以减少工艺上的成本，并且达到线路细小化的目的。而从断裂面结果上来看，镍层厚度0.5～5μm所造成的差异性亦不明显，故降低镍层厚度可符合需求。

结果2.拉球(纵向速度5000μm/s↑)

如上述评估2，测量由不同镍层厚度(0.5～5μm)与不同回焊次数(3、5、10次)所成焊接结构中移除锡球所需拉应力，详如图8所示。

另外，断裂面的结果如图9所示。综合图8、图9的结果，可以发现到镍层厚度的减少对于拉球数据上的影响亦不大，均可以符合标准，达到工艺成本下降与线路细小化的目的。但从断裂面分析判断当镍层厚度为0.5μm且回焊10次时，整个断裂面呈现100%断在IMC化合物上，虽然拉应力是可通过要求的，但为了较保险的使用，较佳使镍层厚度为1μm以上。即使是镍层厚度为1μm，还是较原本市面上常用的5μm厚度渐少了80%，亦达到减少工艺上的成本和线路细小化的目的。

结果3.HSS高速推球(横向速度2000mm/s→)

如上述评估3，测量由不同镍层厚度(0.5～5μm)与不同回焊次数(3、5、10次)所成焊接结构中移除锡球所需推力(剪应力)，详如图10所示。

另外，断裂面的结果如图11所示。如前所述，在高速推球测试中可以直接表现出焊点中最脆弱部份的接着强度。综合图10、图11的结果，可以发现在不同回焊次数中，镍层厚度为0.5μm的剪应力均较其它厚度低很多，而当镍层厚度达1μm以上后，测得的剪应力差异性不大。而从断裂面判断亦是如此，并发现当回焊10次以上时，镍层厚度1μm测得的剪应力相较于镍层厚度1.5μm以上测得的剪应力来的小，且断裂面为IMC化合物的比例亦较镍层厚度1.5μm以上来的高。所以为了因应未来多次组装并需要多次回焊的趋势并且可以达到HSS的规格目标，较佳将镍层厚度规格定义在1.5μm以上。

结果4.打金线

测量将与焊垫(镍层厚度为0.5～5μm)接合的1mil的金线从焊垫上拉除所需力量(拉应力)，结果如图12所示。由该结果看来，镍层厚度对于拉除金线所需拉应力造成的差异性不大，故从打金线的观点我们可以将镍层厚度往下降。

结果5.FIB

利用强电子束进行纵向切割的显微照片显示，当镍层厚度为0.5μm且回焊3次或者当镍层厚度为1μm且回焊10次，可以在原本黑色的镍层下方发现IMC化合物的形成。而当镍层厚度达1.5μm以上时，下方的铜层焊垫均还是完好的。如果IMC化合物在镍层下方形成，由于应力的累积会有焊接强度下降的疑虑。所以从FIB来看，较佳使镍层厚度在1.5μm以上。

测试结果总结：

在现今科技进步快速的时代中，人们对于电子产品的需求可以说是希望达到越轻巧、越能携带方便为主。有鉴于此，电子产品的发展是往越精密、且功能越齐全越好，所以能节省产品空间的方案就相继被提出。根据本发明，经由降低焊垫表面处理的厚度，达到电子线路精密化的效果。详言之，综合上述测试的结果，本发明人得出下述结论：在镍钯金表面处理的工艺中，将镍层厚度控制在0.5μm以下时，在回焊3次以后整体的信赖性将会受到疑虑，由实验结果亦可以佐证。相较于常用的镍层厚度5μm，本发明降低镍层厚度至3.5μm以下，已达到节省厚度的功用，有助于使线路细小化的效果，亦达到使生产成本下降的优势，但不会影响封装结构的机械性质与焊接效果等可靠度结果。

以上详细说明仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围。故即凡依本发明权利要求书所述的特征及精神所为的均等变化或修饰，均应包括于本发明的保护范围内。

Claims (15)

1.一种薄镍-钯-金镀层，其位于焊垫上，该薄镍-钯-金镀层包含：

镍层，其位于该焊垫上，且厚度小于3.5μm；

钯层，其位于该镍层上；以及

金层，其位于该钯层上。

2.如权利要求1的薄镍-钯-金镀层，其中该焊垫的材质是铜。

3.如权利要求1的薄镍-钯-金镀层，其中该镍层的材质是纯镍或者是镍磷合金。

4.如权利要求1的薄镍-钯-金镀层，其中该钯层的材质是纯钯或者是钯磷合金。

5.如权利要求1的薄镍-钯-金镀层，其中该镍层的厚度为1.0至2.5μm。

6.如权利要求1的薄镍-钯-金镀层，其中该镍层的厚度为0.65至2.0μm。

7.如权利要求1的薄镍-钯-金镀层，其中该镍层的厚度为2.0至3.5μm。

8.一种薄镍-钯-金镀层的制作方法，其步骤包含：

提供焊垫；

利用还原反应于该焊垫上形成镍层使其厚度为小于3.5μm；

利用置换反应或还原反应或半置换半还原于该镍层上形成钯层；以及

利用置换型、还原型或者半置换半还原型反应于该钯层上形成金层。

9.如权利要求8的方法，其中各步骤于温度为25℃～95℃，酸碱值为pH 4～9进行。

10.一种薄镍-钯-金镀层与导线所成封装结构，其包含：

焊垫；

镍层，其位于该焊垫上且厚度为小于3.5μm；

钯层，其位于该镍层上；

金层，其位于该钯层上；以及

导线，其接合于该金层上。

11.如权利要求10的封装结构，其中该导线为金线、铜线或者钯铜线。

12.如权利要求10的封装结构，其中该镍层的厚度为1.0至2.5μm。

13.一种制造薄镍-钯-金镀层与导线所成封装结构的方法，包含下列步骤：

提供焊垫；

利用还原反应于该焊垫上形成厚度为小于3.5μm的镍层；

利用置换反应或还原反应或半置换半还原于该镍层上形成钯层；

利用置换型、还原型或者半置换半还原型反应于该钯层上形成金层；以及

于该金层上接合导线。

14.如权利要求13的方法，其中形成该镍层、该钯层与该金层的步骤于温度为25℃～95℃、酸碱值为pH 4～9进行。

15.如权利要求13的方法，其中该接合是利用打线接合或是焊接达成。

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