贵金属电镀/Precious Metal Electroplating

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随着芯片功能的不断进步，对封装基板（IC Substrate）的要求越来越高。比如多芯片封装(Multi Chip Package;MCP)，即在同一个基板上进行多芯片、多系统（SIP）封装，芯片之间必须通过封装基板进行连接、信号取放和交换，从而达到一个芯片组具备某种功能。

为确保封装具有最佳性能和可靠性，特别是敏感芯片必须充分通过安全的封装进行保护：既要芯片和基板之间可靠连接（散热好、低电阻等），又要对芯片本身进行保护，如使用密封盖对于半导体、MEMS、医疗或光学应用，用于保护设备免受潮气影响。

基板是固定、安装电子器件的载体, 是实现芯片与芯片之间连接的通路，基板的焊盘这是基板和芯片连接的结合点。

焊盘在封装芯片前必须进行表面处理，形成所需要的保护层，表面处理的作用主要有几点： 1. 提高焊盘处的抗氧化能力； 2. 提高焊盘处的焊接能力并改善焊盘的平整度；3. 提供焊盘的导电性等。一般基板的表面处理方式主要有：热风整平；有机可焊性保护涂层；化学镍金/化学镍钯金；电镀镍钯金/电镀合金等。

随着高端型封装基板产品的兴起，对产品的品质要求不断的提高，所属产品的表面处理工艺多为化学沉镍金，化学沉镍金的优点在于导电性高、散热性强，同时具有较好的平整性，化学沉镍金还具有焊接强度的优点，目前很多第三代半导体的封装多用化学镍钯金工艺（EPENIG）

而电镀镍银金对于化学沉镍金而言是一项功能性的提升，其镀层厚度较化学镍钯金由明显提升，对于强电流的稳定以及高放热产品的散热性而言是一项最合适的表面处理新工艺，对于传统技术而言则是技术性的突破，面对日益需求增加的高端型封装载板产品，需要大量的应用到电镀镍银金等贵金属表面处理。

采用贵金属电镀的表面处理具有：

  • 化学稳定性高
  • 抗腐蚀性好
  • 结合力强
  • 接触电阻小
  • 导电性好等

这么多优点的镀层目前多用于功率半导体等高可行性的先进封装。

所涉及的电镀工艺：

1.电镀镍

镍层通常作为贵金属和普通金属衬底镀层，可大大提高耐磨性，同时作为阻挡层时，镍能有效地防止铜和其它金属之间的扩散。

根据镍层特点分为哑光镍和光亮镍，哑光镍/贵金属作为抗蚀刻的金属镀层，而且能适应热压焊与钎焊的要求，同时镍能够作为含氨类蚀刻剂的抗蚀镀层；光亮镍/贵金属用于不需热压焊又要求镀层光亮的基板。

基板表面处理多用氨基磺酸镍体系，其镀层应力低、孔隙率低、硬度高，且具有优越延展性。但氨基磺酸镍稳定性差，其成本相对高。

2.电镀钯

镀钯通常用作镍/钯/金的三层电镀中间层。镀钯作为镍的扩散屏障，通过使镀金厚度变薄，实现成本降低和良好的引线键合性，良好的可焊性。

3. 电镀银/银合金

镀银应用于先进封装基板，主要原因是银具有优异的导电性和导热性；银合金镀层具有更多的物理特性，特别是在电镀金之后表现出优异的耐腐蚀性，适用于具有腐蚀性等恶劣的外部条件。

具有高效导电、导热作用的银/银合金应用广泛应用于电子、汽车和电动汽车（EV）、LED等领域。

电镀银/银合金的镀液有含氰和不含氰的分别，不含氰应用范围越来越广。

4. 电镀金/金合金

电镀分为电镀硬金和软金工艺，镀硬金与软金的工艺基本相同，槽液组成也基本相同，区别是硬金槽内添加了一些微量金属镍或钴或铁等元素，由于电镀工艺中镀层金属的厚度和成分容易控制，并且平整度优良，所以在采用键合工艺的封装基板进行表面处理时，一般采用电镀镍金工艺，铝线的键合一般采用硬金，金线的键合一般都用软金。不管是化学镍金还是电镀镍金，对于键合质量影响的关键是镀层的结晶和表面是否有污染，以及一定要求的镍金厚度。

晟悦半导体设备有限公司-贵金属电镀机
面板贵金属电镀机台（手动）
晟悦半导体设备有限公司-面板贵金属电镀

关于IC Substrate

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  集成电路载板（IC substrate）是IC封装的基材。除了保护裸露的IC外，还负责IC与PCB之间的连接。因此，载板在很大程度上影响电路性能。

载板由中间核心层和堆叠层组成。此外，IC载板包含钻孔、线路和导体焊盘等，其尺寸较小，密度超过传统PCB的布线密度，因此制造非常复杂。

IC Substance分类：

IC载板种类较多，分类方式也不同。通常分类可以按照封装（packaging））类型、键合（bonding）方式/技术，材料（materials）属性/特性来分类。

按封装类型分类：

  • 球栅阵列IC载板（Ball Grid Array IC substrate）：这种类型的载板适用于引脚数大（>300）的IC封装。从本质上讲，我们可以将其归因于其出色的电气性能和散热性。
  • 芯片级封装IC载板（Chip-scale package IC substrate）：这种类型的载板小而薄，适用于引脚数较少的小型单芯片封装 （CSP）。
  • 倒装芯片IC载板（Flip-chip IC substrate）：这种类型的载板适合倒装芯片级封装（FCCSP），它具有良好的散热保护，可防止电路损耗和信号干扰。
  • 多芯片模块IC载板（Multi-chip module IC substrate）：这种封装中的载板可容纳多个IC。每个IC可能具有不同的功能、不同的尺寸，要求基材必须轻巧。由于MCM IC的性质，这种载板必须考虑到信号干扰、布线、或者散热性的等问题。        

按键合方式/技术分类：

键合技术描述了集成电路如何连接到封装或外部电路。同样，每个键合可能需要具有独特特性的载板。

  • 引线键合Wire bonding: 这是较为常见的键合类型，将电线从芯片上的连接螺纹连接到封装/载体或外部电路。
  • 胶带自动粘合Tape automated bonding (TAB)：多用于柔性载板（FPC），将集成电路粘合到基于聚合物的载板中的连接点上。
  • 倒装芯片Flip Chip （FC）：最常见方法是使用焊球/凸块。接下来，在将焊球分散到芯片焊盘上后，再将芯片翻转过来，并将其对准到外部电路的焊盘上。

按载板材料分类：

由于集成电路具有不同的功能，因此其载板将需要不同的材料类型和特性。

  • 硬板Rigid：制造商使用树脂来制造这些类型的基材。因此，它们可以由味之素堆积膜（ABF），环氧树脂或双马来酰亚胺三嗪（BT）材料组成。
  • 软板Flex：我们使用聚酰亚胺或酰胺树脂来制造这种类型的基材。它们都具有相似的电气性能和热膨胀系数。
  • 无机材料：如陶瓷，玻璃等，这类材料具有高散热性、低膨胀系数等特点，多应用于功率芯片封装。

IC载板的用途

  • 存储芯片封装
  • 微机电系统 （MEMS） 的封装
  • 射频 （RF） 芯片封装
  • 处理器芯片的封装
  • 高速通信设备中集成电路的封装等

IC Substrate特点

  • 重量轻：IC载板通常很轻。这主要是由于他们使用的材料。
  • 可靠：这些载板在集成电路周围形成保护层。因此，它们必须由固体材料组成。
  • 紧凑：IC载板采用小型化设计。
  • 耐用：尽管IC载板尺寸小，但坚固耐用。

Manufacturing Process生产流程

线路制做（图形和电镀），阻焊层，表面处理，检查

其核心为线路制做：

IC Substrate生产难点

由于IC载板制造过程复杂，因此生产工序中包含了诸多技术难点，部分难点包括：

*压合Lamination

由于IC载板要高的尺寸稳定性，但它又非常脆弱且容易变形，特别对于厚度小于0.2mm的载板，这些问题会更加突出。这就需要精准层压参数和定位来控制防止基材中的畸形。

*微孔制造技术/Microvia Manufacturing Technology

该技术涉及激光钻孔和电镀通孔，覆膜和盲孔填充。其中激光高精度能量控制可以获得优质的孔型，能够包装后续凹陷填孔的平整性。

*图案化和镀铜技/Patterning and Copper Plating Technology

图形制做（曝光/显影）比较复杂，特别是对于较小的线宽/线间距（12um/12um以内），需要有电路控制和补偿设备；

镀铜（Pad和线路）的形貌平整性、镀层宏观均匀性/分布、凹陷/盲孔填充的平整性、特别是密集孔区域（BGA）的厚度分布，对于封装/键合质量至关重要。这就需要有先进的电镀设备和高性能的电镀液。

*Solder Mask

阻焊层厚度均匀性对于IC载板非常重要，需要比PCB更加小心。

最后

IC载板制造难度大，目前只有少数的PCB企业可以生产IC载板，更是极少数企业可以生产高端IC载板(嵌入式载板），而且良品率不高。

高端IC substrate生产企业要具备：

  • 深厚的载板生产经验和管路经验
  • 先进的生产设备
  • 洁净的生产环境（接近半导体的生产环境）
  • 高强度的资金、技术研发投入

随着企业对IC载板的认知不断加深，也必然会不断有企业加入进来，推动IC载板技术的不断进步。

嵌入式多芯片互连桥接EMIB（Intel）

巨型散热孔方法/The Solutions for Thermal Vias

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巨型散热孔：

1.主要功能以散热为主，盲孔通孔均被金属填充；

2.巨型盲孔：直径大于大于200um，深度大于150um的盲孔；
巨型通孔：直径大于250um，深度大于200um的盲孔

随着电动/智能汽车的快速发展，汽车中的电控系统中功率器件（大功率芯片）越来越多，而配套的充电桩更是用到很多功率器件；同时，随着新型射频和微波系统的发展，更高效的热管理是必不可少的。线路板（PCB）做为功率器件的载板，它的热通径及热垫的设计决定了功率器件性能能不能正常发挥，和整个系统的质量。

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Electroplating Nickle/电镀镍
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电镀镍组分及作用

硫酸镍： 为镍液中的主盐，镍盐主要是提供镀镍所需的镍金属离子并兼起着导电盐的作用。镍盐含量高，可以使用较高的阴极电流密度，沉积速度快，常用作高速镀厚镍。但是浓度过高将降低阴极极化，分散能力差，而且镀液的带出损失大。镍盐含量低沉积速度低，但是分散能力很好，能获得结晶细致光亮镀层。

氯化镍：阳极活化剂，保证阳极的正常溶解。实践表明，Cl-氯离了是最好的镍阳极活化剂，氯化镍除了作为主盐和导电盐外，还起到了阳极活化剂的作用。在不含氯化镍或其含量较低的电镀镍液中，需根据实际性况添加一定量的氯化钠。


硼酸：用来作为缓冲剂 ，使镀镍液的 pH 值维持在一定的范围内。当镀液的pH 值过低，将使阴极电流效率下降；而pH值过高时，由于H2的不断析出使紧靠阴极表面附近液层的pH 值迅速升高，导致Ni(OH)2胶体的生成，而Ni(OH)2 在镀层中的夹杂，使镀层脆性增加，同时Ni(OH)2胶体在电极表面的吸附，还会造成氢气泡在电极表面的滞留，使镀层孔隙率增加。硼酸不仅有pH 缓冲作用，而且他可提高阴极极化，从而改善镀液性能，减少在高电流密度下的“烧焦”现象。硼酸的存在还有利于改善镀层的机械性能。

润湿剂：在电镀过程中，阴极上析出氢气是不可避免的，氢气的析出不仅降低了阴极电流效率，而且由于氢气泡在电极表面上的滞留，还将使镀层出现针孔。镀镍层的孔隙率是比较高的，为了减少或防上针孔的产生，应当向镀液中加入少量的润湿剂（阴离子表面活性剂），能吸附在阴极表面上，使电极与溶液间的界面张力降低，氢气泡在电极上的润湿接触角减小从而使气泡容易离开电极表面，防上或减轻了镀层针孔的产生。

镀液的维护

1）温度——不同的镍工艺，所采用的镀液温度也不同。温度的变化对镀镍过程的影响比较复杂。在温度较高的镀镍液中，获得的镍镀层内应力低，延展性好，温度加致 50度C时镀层的内应力达到稳定。一般操作温度维持在55–60度C。如果温度过高，将会发生镍盐水解，生成的氢氧化镍胶体使胶体氢气泡滞留，造成镀层出现针孔，同时还会降低阴极极化。

2) pH 值—实践结果表明，镀镍电解液的 pH 值对镀层性能及电解液性能影响极大。在 pH≤2的强酸性电镀液中，没有金属镍的沉积，只是析出轻气。一般 PCB 镀镍电解液的pH 值维持在3-4 之间。pH 值较高的镀镀液具有较高的分散力和较高的阴极电流效率。但是 pH 过高时，由于电镀过程中阴极不断地析出轻气，使阴极表面附近镀层的pH 值升高较快，当大于6 时，将会有轻氧化镍胶体生成，造成氢气泡滞留，使镀层出现针孔。氢氧化镍在镀层中的夹杂，还会使镀威脆性增加。pH 较低的镀镍液，阳极溶解较好，可以提高电解液中镍盐的含量，允许使用较高的电流密度，从而强化生产。但是 pH 过低，将使获得光亮镀层的温度范围变窄。加入碳酸或碱式碳酸镍，pH值增加；加入氨基璜酸或硫酸，pH 值降低。所以在电解过程中需要监控PH值（1次/班）。

3)阳极——目前所能见到的PCB常规镀镍均采用可溶性阳极，用钛篮作为阳极内装镍角已相当普遍。其优点是其阳极面积可做得足够大且不变化，阳极保养比较简单。钛篮应装入pp阳极袋内防止阳极泥掉入镀液中。并应定期清洗和检查孔眼是否畅通。

4）净化——当镀液存在有机物污染时，就应该用活性炭处理。但这种方法通常会去除一部分去添加剂，须加以补充。其处理流程如下:

  1. 取出阳极，加除杂水5ml/l，加热（60-80度C）打气（气搅拌）2小时。
  2. 去除有机杂事加入3—5ml/L的30%双氧水处理，打气搅拌3小时。
  3. 将 3-5g/L粉末活性炭搅拌2小时，关闭搅拌静置4小时，加助滤粉使用备用槽来过滤同时清缸。(d）清洗、保养阳极挂具，用镀了镍的瓦楞形铁板作阴极，在 0.5安/平方分米的电流密度下进行拖缸 8-12小时（当镀液存在无机物污染影响质量时，也常采用）(e）换过滤芯分析调整备参数，加入添加剂润湿剂即可试镀。

5)分析——镀液应该用工艺控制所规定的工艺规程的要点，定期分析镀液组分与赫尔槽试验，根据所得参数指导生产部门调节镀液各参数

6)搅拌——镀镍过程与其它电镀过程一样，搅拌的自的是为了加速传质过程，以降低浓度变化，提高允许使用的电流密度上限。对镀液进行搅拌还有一个十分重要的作用就是减少或防止铍镍层产生针子孔。因为，电镀过程中，阴极表面附近的镍离子贫乏，氢气的大量析出，使 pH 值上升而产生氢氧化镍胶体，造成氢气泡的滞留而产生针孔。加强对电镀液的搅拌，就可以消除上述现象。

7)阴极电流密度——阴极电流密度对阴极电流效率、沉积速度及镀层质量均有影响。测试结果表明，当采用pH 较底的电解液镀镍时，在低电流密度区，阴极电流效率随电流密度的增加而增加；在高电流密度区，阴极电流效率与电流密度无关。而当采用较高的pH 电镀液镍时，阴极电流效率与电流密度的关系不大。与其它镀种一样，镀镍所选取的阴极电流密度范围也应视电镀液的组分、温度及搅拌条件而定。