超越镍/金：电子领域用下一代耐腐蚀表面精饰工艺
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摘要：本文介绍了几种新一代的提高电镀制品耐腐蚀性的方法，即用各种方法寻找替代镍/金工业标准的表面处理方法。电镀层的一个主要功能就是提高基体和(或)其它被镀层的耐腐蚀性。在电子应用中，这一点非常重要，因为对可靠性的要求越来越高，因此需要执行更严格的规范要求，尤其是在防腐蚀方面。几十年来,传统的电镀镍加硬金的行业标准在电子电镀行业许多领域得到了很好的应用，现在正被一些应用中的替代品所取代，以满足这些新的技术要求。通过几种不同的方法可以提高电镀电子器件的耐腐蚀性。本文将介绍几种新一代方法，以提高电镀制品的耐腐蚀性，使用各种方法寻找替代镍/金工业标准的精饰表面。 关键词：电连接器;镍/金镀层;耐腐蚀;表面精饰 1 引言 电镀镀覆层的一个主要功能是增强基底金属(即电路板和连接器中的初级铜底层和/或所要施加镀覆层的其它基底层)的耐腐蚀性。在电子应用中，这种镀覆层还需要赋予其规定的导电性和耐磨性。此外，镀覆层必须能够通过焊接、物理插入等方式连接到其它表面上。 传统的电镀镍(1μm~2μm)加薄镀硬金(0.10μm~0.75μm，其厚度视具体应用而定)行业标准已经在电子器件电镀行业许多领域应用了几十年。如图1所示，镀镍可提供了一个阻挡层，以保护基底金属铜，否则，基底金属遭受腐蚀损坏，就无法正常使用。金镀层提高了它的导电性、耐磨性和可焊性。后处理可保护基底层，并在库存中保持其应有的可焊性。
图1 镍-金方案示意图 不过，可靠性要求的不断提高使得我们不得不采取更为严格的技术规范，特别是在防腐性能方面。例如，随着集成电路(IC)半导体器件和印刷电路板(PCB)尺寸的缩小，对电子互连器件的几何要求急剧增加。因此，开发更加结实耐用的镍/金替代方案已经成为当务之急。 本文将讨论许多替代的工艺方案，首先从改进的阻挡层开始，然后再讨论金和后处理工艺的替代工艺，最后讨论需要采用全新电子精饰工艺的一些新兴应用领域。 2 改良的阻挡层 传统的电子器件精饰阻挡层采用的是哑光氨基磺酸镍。多年来，它为电镀工业提供了良好的服务，但电子器件小型化和几何更趋复杂化又带来了一些新的挑战，超越了这种镀覆层的极限。较低的镀层厚度、在较低电流密度区加大厚度分布以及较低的内应力要求，凡此种种，传统工艺都很难一一满足。现有的替代工艺已经成功地满足了新的规范要求，包括纳米晶镍和无镍钴-钨(CoW)工艺。 2.1 纳米晶镍工艺 纳米晶镍是一种先进的镀镍工艺，专门用于高速/卷筒-卷筒电镀应用中，可显著改善镍厚度的分布状况，并在专用电解质中改善其耐腐蚀性。这一工艺产生了一种半光亮、低应力并具有延展性的沉积镀层。其晶粒尺寸以纳米来度量，接近于无定形电镀。 表1表示纳米晶镍和氨基磺酸镍沉积电镀层的特性对比。从表1中可以看出，纳米晶镍具有较低的应力和较高的硬度，在较小的几何尺寸条件下仍然保持了一种保护性的阻挡层。 表1 纳米晶和氨基磺酸镍特性对比较
电镀浴液导电率越高，其分散能力就越强。从图2所示的连接器设计数据中便可略见一斑：使用纳米晶镍之后，其镀层厚度分布大幅提高了30%~40%(红色数据)。 (Functional Area：功能区域;Tail Area:尾部区域)
图2 纳米晶镍和氨基磺酸盐镍分散能力对比 纳米晶镍镀层的耐腐蚀性也优于标准的氨基磺酸镍镀层。图3显示两种镀层经过两个小时硝酸蒸汽暴露试验之后的对比试验结果。 (l)氨基磺酸镍-120μin.，Au-30μin.;(r)纳米镍-100μin.，Au-30μin.
图3硝酸蒸汽试验2小时后的结果 2.2 钴-钨工艺 在某些应用场合，我们需要完全从电镀工艺中去除镍(例如，接触镍后会出现过敏性皮炎问题)。为此，人们已经为这些领域开发出钴-钨合金(CoW)阻挡层电镀工艺。这种合金镀层的组成成分为65/35 Co/W (±5%)。其结构也属于纳米晶体(如图4所示)，硬度为600-700 VHN。其沉积镀层应力较低，耐腐蚀性也非常好。
图4 CoW镀层FIB/SEM横截面(50000x) 在生产过程中，该工艺提供了一个广阔的操作窗口，在现有电镀工艺线中可作为镍或镍-钨电镀浴液的替代方案。它适用于消费类电子应用领域，因为这种镀层不含镍，故不存在镍的过敏性皮炎问题。 3 镀金/后处理工艺替代方案 要寻找镀金替代品往往涉及到成本问题。其中一个较为可行的方案就是使用金属银，再加上适当的后处理工艺。时至今天，镀银工艺在非汽车应用中的实施仍然受到两个技术问题限制： (1) 耐磨性，特别是在多次插入循环之后; (2) 耐腐蚀性，即克服银的变色问题。 目前，银镀层在汽车电子器件中的应用仅限于插拔次数很少的密封应用场合。一个较为理想的解决方案就是采用耐磨/耐腐蚀的镀银工艺。然而，传统的银在经过电镀和烘烤之后，会出现高约1.2的摩擦系数。一个切实可行的选项就是采用银合金镀层。 3.1 银合金电镀层 目前，银合金镀层可以通过一个由银合金电沉积和一个独特的后处理工艺化学成分(Durasil™)组成的一种专有的两合一组合方案来实现。与传统的镀银工艺相比，这种组合方案可提供非常优良的镀层导电性，同时又具有非常优异的防腐蚀性能，并能明显地改善其耐磨性。 银合金镀层的硬度为175KHN。烘干之后，其硬度降至145 KHN。接触电阻较低而且稳定，烘干并经过混合流动气体(MFG)暴露20天之后，其接触电阻最大值约为2.5 mΩ。 银合金镀层的耐磨性也很稳定，在相同的烘烤条件和为期20天的混合流动气体(MFG)试验条件下，其摩擦系数不超过0.2。耐腐蚀性试验表明，在暴露于混合流动气体(MFG)试验20天后，其腐蚀程度极低，甚至未出现任何腐蚀现象。烘烤500小时之后，银合金镀层的可焊性经过测试完全符合J-STD-002C规定。 银合金工艺可以与一种无机纳米镀覆工艺结合起来使用。这种工艺方法镀层通过了硫腐蚀试验：将零件完全浸入一种浓度为5%的硫化钾(K2S)溶液中，并保持5分钟，见图5所示。按照EIA-364-65B，IIA级规定，在混合流动气体(MFG)5天暴露试验后，我们观察到了类似的结果。
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