TW201541528A - 鈷合金鍍層應用於線路表面之製作方法 - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種鈷合金鍍層應用於線路表面之製作方法，提供設有金屬線路之基板，電鍍鈷基合金於該金屬線路上為第一層，該第一層鍍膜厚度約0.5μm-5μm，鍍金層於該第一層上形成線路連接端保護層，該鍍金層膜厚0.03μm-0.3μm，其中該鈷金屬為該合金之主體，電鍍之沉積速度為15-30μm/hr。藉此，鈷合金鍍層以電鍍沉積金屬層，其表面較具有微突起的晶相結構，相較無電解鎳金的非晶相結構及金屬表面針孔少，本法可降低金的損耗，以降低鍍金層厚度，使鍍金層最薄可達0.03μm。

Description

鈷合金鍍層應用於線路表面之製作方法

本發明係關於一種線路表面處理之製作方法，特別係指鈷為主體之合金鍍層搭配鍍金層於金屬線路上形成線路保護層，以降低鍍金層厚度。

習知，目前在半導體封裝應用的中介層板或積體電路載板(IC載板)，其線路(通常以銅或銅合金)連接元件的連接墊片、端子與接腳的主要考量即是維持接觸電阻值，而該連接端主要是以施行無電解鎳金或電解鎳金作為表面處理方式，作為一種保護層(barrier layer)，應用在後續封裝焊接/打線等連接製程，以作為降低與連接的錫凸塊間的錫擴散的錫銅合金現象，對於線路連接之墊片、端子或接腳表面之處理方式皆有文獻及專利進行討論，如美國專利2008/0257742 A1明晶片等級封裝(chip scale package,CSP)的印刷線路板的製作方式，其中包含印刷線路板線路用於與表面焊接元件(SMD,surface mount device)的墊片的表面處理方式，其為採用無電解鎳金鍍層又稱化鎳浸金(Electroless Nickle Immersion Gold,ENIG)於銅線路的墊片處。中華民國專利I419275，為一種具有複數電性接觸墊與線路的基板本體，說明其電性接觸墊的表面處理層的製作方式與後續製程相關影響。

按，中華民國專利I420753揭露一種電連接器的端子，然而用於電連接器之端子接觸部及焊接部之鍍金層厚度若較薄，將會使電連接 器端子的導電性、抗腐蝕性及耐磨耗性變差，該鍍金層若較厚，則會提高電連接器端子之生產成本，故該專利之焊接部鍍金層厚度為0.05μm-0.15μm，而接觸部之鍍金層厚度不低於0.076μm。而為了減小電連接器的接觸阻抗、增強耐腐蝕性及滑動性，會先在電連接器端子的整個表面上鍍一層鎳層，以防止端子氧化，進而再鍍一層金層，提高電連接器端子的耐腐蝕性與導電性。

以無電解鎳金作為表面處理方式應用於一般的印刷線路板或連接器的線路連接端面臨之問題如下：1.無電解鎳金製程的鍍液溫度約在80℃-90℃，將有可能對精密的元件造成影響。另外，部份定義連接端點/線路圖樣的光阻，也可能無法承受如此高溫的化學鍍液而造成劣化、變形或剝落等現象。2.其鍍金層的厚度約為0.05μm-0.5μm之間。為因應原物料的價格因素，故本道表面處理的厚度是倍受重視，故相關的改善與取代方案也逐漸開發。例如：無電解鎳鈀金製程。3.導線於連接端子的應用，考量反覆插拔的狀況，其表面處理層(例如ENIG層)的表面耐磨耗或表面損耗即為考量因素。

以上之概述與接下來的詳細說明，是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其它目的及優點，將在後續的說明中加以闡述。

鑒於上述習知技術之缺點，本發明提出一種鈷合金鍍層應用於線路表面之製作方法，以降低鍍金層厚度及可達到提高該表面耐磨耗之目的。

本發明所指之鈷基合金係以鈷金屬為主體之多元合金，其中鈷金屬佔該合金之比例最多。鈷基合金具有優異的抗熱腐蝕性(Hot Corrosion Resistance)，高的熱傳導性(Thermal Conductivity)，及較低的熱膨脹係數性(Thermal Expansion)。

本發明係以電鍍鈷之方式搭配其他金屬形成一抗氧化層，並強化耐磨耗，以降低鍍金層厚度，使鍍金層最薄可達0.03μm，應用於半導體封裝、印刷電路板或連接端子等線路連接墊片或接腳等線路連接端的表面處理上，作為封裝結構中銅線路或銅基合金線路與連接端子的保護層。

由於電鍍著重在表面改質，其原理是將被鍍物作為陰極，浸於含欲鍍金屬離子之電解液中，另一端置適當陽極，通入直流電後，利用電極通過電流後，使鍍液中之金屬離子沉積附著於被鍍物表面上，得到細緻結晶鍍層，可以改變被鍍物表面之物理特性、外觀及尺寸，在被鍍物表面析出金屬膜的表面處理，進而提高附加經濟價值等，依電鍍金屬之特性，尚具有鍍貴重金屬光澤之裝飾性用途、提高表面硬度、增加耐磨耗性、增加抗蝕性及增加導電性等用途。其電鍍後需求之性質皮膜色澤、硬度、均一性、披覆力、厚度及焊接性等，均是電鍍操作須注意之處。

另一方面無電解法又稱化學電鍍、無電鍍法或自身催化鍍法，先將被鍍物表面形成具有催化力之金屬面，或是被鍍物表面本身具有催化作用，以化學還原方法使金屬離子成金屬狀態析出。而非電鍍法之鍍層均一性良好，不論被鍍物之形狀為何，各部位鍍層厚度接近一致，無需電鍍設備，包含玻璃、塑膠及陶瓷等材質經過前處理皆可進行此法，所得之鍍層孔隙較電鍍層小。

進行電鍍或化學電鍍等表面處理前基材通常經過一系列前處理包含，洗淨：去除金屬表面之油質、脂肪等；清洗：用冷水或熱水洗淨過程之殘留洗淨劑或汙物；酸浸：去除銹垢或氧化層；活化：促進鍍層附著性，可利用酸液使金屬表面活化；漂清：電鍍前除去酸膜。電鍍前處理不良會導致鍍層與基材之間結合力、密著性不佳則鍍層會有脫離現象。而鍍層之緻密性係指金屬本身間之結合力，若晶粒細小，無雜質則有很好的緻密性，於電鍍之鍍浴成份、電流密度均會影響緻密性，一般低濃度浴、低電流密度可得到較細且緻密之晶粒。

工業上電鍍金本身可分為硬金及軟金，將金電鍍於電路板的銅金屬上，而金無法直接與銅金屬反應，須先電鍍一層鎳，在將金電鍍到鎳上面，而硬金及軟金的差別則是最後鍍上這層金的成分，純金的硬度較軟稱為軟金，以金合金型式比純金硬度高，故稱之為硬金。目前無電解鎳金又稱化鎳鍍金(Electroless Nickle Immersion Gold,ENIG)的表面處理方法，其表面較電鍍金平整，由於ENIG的鍍金層屬於純金，所以常被歸類於軟金。以現階段眾多的電路板表面處理方法，電鍍鎳金的鍍層其特性具有良好的抗磨擦能力以及抗氧化能力，可用於連接器的接觸面處理及有滑動式接觸元件需求等特殊用途。

本發明係提供一種鈷合金鍍層應用於線路表面之製作方法，其步驟如下：提供設有金屬線路之基板，電鍍鈷基合金於該金屬線路上為第一層，該第一層鍍膜厚度約0.5μm-5μm，鍍金層於該第一層上形成線路連接端保護層，該鍍金層膜厚0.03μm-0.3μm，其中該鈷金屬為該合金主體，電鍍之沉積速度為15-30μm/hr。藉由鈷合金鍍層之電鍍沉積其表面 較具有微突起的晶相結構，相較無電解鎳金的非晶相結構，該微突起結構可降低金的損耗。

本發明實施例之一之該鍍金層之金係可為純金、金鈷合金或金鎳合金。該鍍金層之上係可焊錫金屬或錫基合金。

電鍍製備合金鍍層時常以較高電流密度加速金屬沉積速度並縮短何金鍍層成長時間，但若沉積之電流密度過大時，鍍液之陰極處會缺乏可提供合金鍍層的金屬離子，導致陰極產生氫氣的速度變快，並使鍍層表面之pH值上升，生成鹼性鹽或氫氧化物吸附於鍍層，並且形成粉狀或海綿狀而影響鍍層性質。

另，複合電鍍是將一種或多種不溶於鍍液的固體微粒或鍍液中某種金屬合金均勻的分散沉積於基材上形成結構緻密、表面平整的鍍層，鍍層中次要金屬含量在1%以上的兩種或多種金屬共鍍的作業稱為合金電鍍(alloy deposition)，合金電鍍是利用電化學方法是兩種或兩種以上的金屬共沉積的過程，其中的共沉積亦包含非金屬的共沉積。兩種金屬離子共沉積得到的合金鍍層稱為二元合金，三種金屬離子共沉積而得的合金鍍層稱為三元合金。本發明之鎳基合金與鈷、鉬、鎢或其組成群組之一，可形成二元或三元合金電鍍於金屬線路上。合金最簡單類型係為固溶體，一般而言分為置換型和插入型固溶體，由兩種元素組成的置換型固溶體中，溶質原子可以取代結晶格子上的溶劑原子，該溶劑原子的結晶結構並沒有改變，但是晶格可能因為溶質原子的存在而被扭曲了，特別是溶質原子與溶劑原子的原子半徑大小有相當大的差異時更加明顯。在插入型固溶體中，溶質原子會插入溶劑原子的空隙，當某一原子比另一原子大很多時，就可 以形成插入型固溶體。

鈷鎢合金電沉積中的鎢含量高時則呈現非晶態結構，而非晶態結構其原子排列沒有平移周期性，不存在於位錯、攣晶、晶界等晶體缺陷，但該合金的內應力較高，若鍍層較厚則會產生裂紋，會影響了實際應用，若將較高硬度固體微粒與金屬共沉積形成的合金複合鍍層，其內應力較低，同時可以降低裂紋的產生。電流密度的變化對合金電鍍中鍍層的組成有明顯的影響。

110‧‧‧銅線路

120‧‧‧鈷鉬鎢三元合金層

130‧‧‧金層

140‧‧‧錫球

210‧‧‧銅線路

220‧‧‧鈷鉬鎢三元合金層

230‧‧‧金層

320~380‧‧‧步驟

第一圖係為本發明實施例線路連接端保護層之示意圖

第二圖係為本發明實施例鈷基合金層與金層連接面剖面示意圖

第三圖係為本發明實施例線路連接端保護層之製作流程

本發明實施例之一鈷鎢合金鍍層當電流密度增加會使鍍層表面凹凸不平或破裂，因為電流密度與沉積速率成正比，陰極附近消耗的離子來不及得到補充，反而使鍍膜的沉積速率下降，說明鈷鎢層在高電流密度的過程中平整力不佳，電流密度小則有光亮性、緻密性的鍍層結構。鎢金屬佔據鈷的晶格格點位置而形成面心立方結構的置換型固溶體，鎢含量提高其合金的硬度也提高。因鎢金屬可使鍍層中原子間的結合力增強，鍍層之間的空隙率降低，鍍層的緻密性提高，而鎢含量的增加亦可提高鍍層的耐蝕性。

本發明實施例之一係可使用電鍍或電刷鍍方式鍍鈷基合金，其中電鍍係可以直流、往覆或脈衝電源方式製備鈷鎢合金鍍層。提供電流密度範圍於0.1~15 ASD(amp/dm²)之間。

脈衝電鍍法在合金鍍層之表面處理廣泛被應用，脈衝法與脈衝反轉法製備之合金與直流電製備之合金有不相同之特性，使用脈衝法所得之鍍層有良好電導性、低不純物含量、高硬度和高抗腐蝕能力。當脈衝法提高電位導致工作電極產生大電流反應，工作電極之大電流現象可快速沉積合金鍍層，但大電流在工作電極製備鍍層時，會導致工作電極產生大量焦耳熱使合金鍍層變成焦黑。可利用強力攪拌利用熱傳原理將熱移走，降低鍍層焦化。

請參閱第一圖本發明實施例線路連接端保護層之示意圖，提供一載有銅線路10之用於半導體封裝連接端子，於該銅線路10上電鍍鈷鉬鎢三元合金層20，其中鍍膜厚度約0.5μm-5μm，於鈷鉬鎢三元合金層20上鍍0.03μm-0.3μm之金層30，再於金層30上焊錫球40以製成連接端保護層。如第二圖本發明實施例鈷基合金層與金層連接面剖面示意圖，銅線路10上電鍍鈷鉬鎢三元合金層20，該層採直流電鍍沉積方式其表面較具有微突起的晶相結構，於鈷鉬鎢三元合金層20上鍍金層30，因鈷鉬鎢三元合金層20與金層30連接面較無電解電鍍法粗糙，更具表面耐磨耗或表面損耗特性。

請參閱第三圖本發明實施例線路連接端保護層之製作流程，提供銅線路基板320，電鍍鈷鎳鎢三元合金層於銅線路上340，其中控制鍍層之沉積速度為15-30μm/hr，鈷金屬之比例為40%，之後電鍍金層於鈷 鎳鎢三元合金層上360，焊錫金屬於金層上380，最後形成線路連接端保護層。

本發明實施例所揭露為鈷基合金的表面處理方式於封裝結構的銅(或銅合金)線路與連接端子的保護層，鈷金屬為鈷基合金之主體元素尚可含鎳(Ni)、鎢(W)、鉬(Mo)等金屬，形成二元、三元或多元合金的方式，相較於無電解鎳金(ENIG)鍍層，其表面特性的優勢為：1.鈷基合金的鍍層表面硬度較高，約為500~600HV；無電解鎳金鍍層約為400~450HV，此將可能容許後續封裝打線製程擁有較大的製程容許度與材料的選擇。2.鈷基合金的鍍層具有較佳的磨耗與磨潤特性，可降低鍍金層損耗，將更適於作為反覆插拔使用的連接端子。

上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及其功效，而非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

210‧‧‧銅線路

220‧‧‧鈷鉬鎢三元合金層

230‧‧‧金層

Claims (9)

1. 一種鈷合金鍍層應用於線路表面之製作方法，該方法係包含以下步驟：(1)提供設有金屬線路之基板；(2)鍍鈷基合金於該金屬線路上為第一層，鍍層之沉積速度為15-30μm/hr，該第一層鍍膜厚度約0.5μm-5μm，其中該鈷金屬係為該合金之主體，其所占比例較該合金中其它元素高；(3)鍍金層於該第一層上形成第二層，該鍍金層膜厚0.03μm-0.3μm，藉由控制鍍層厚度及沉積速度於線路表面形成鈷基合金保護層。
2. 如申請專利範圍第1項所述之鈷合金鍍層應用於線路表面之製作方法，其中該金屬線路係為銅金屬或銅基合金。
3. 如申請專利範圍第1項所述之鈷合金鍍層應用於線路表面之製作方法，其中該鈷基合金以鈷為主體，還包含鎳、鉬、鎢或其組成群組之一。
4. 如申請專利範圍第1項所述之鈷合金鍍層應用於線路表面之製作方法，其中該第一層之製程方式係為電鍍或電刷鍍。
5. 如申請專利範圍第1項所述之鈷合金鍍層應用於線路表面之製作方法，其中該第一層之製程電源方式係為直流、往覆或脈衝。
6. 如申請專利範圍第5項所述之鈷合金鍍層應用於線路表面之製作方法，其中該電源之電流密度範圍係為0.1~15 ASD(amp/dm²)。
7. 如申請專利範圍第1項所述之鈷合金鍍層應用於線路表面之製作方法，其中該第二層上方係可焊錫金屬或錫基合金。
8. 如申請專利範圍第1項所述之鈷合金鍍層應用於線路表面之製作方法，其中該金屬線路之基板係為半導體封裝、印刷電路板或電連接器之連接端子或接腳。
9. 如申請專利範圍第1項所述之鈷合金鍍層應用於線路表面之製作方法， 其中該鍍金層之金係可為純金、金鈷合金或金鎳合金。