La tecnologia LTCC (Low-Temperature Co-fired Ceramics) è diventata la soluzione di packaging principale per i dispositivi elettronici di fascia alta, grazie al cablaggio ad alta densità, all’eccellente stabilità termica e alla compatibilità elettromagnetica. Il nichel-oro elettrolitico (ENIG) e il nichel-oro elettrodepositato rappresentano i due approcci predominanti per il trattamento superficiale dei ceramic substrate LTCC. Sebbene entrambi utilizzino il principio fondamentale del “sottostrato di nichel con strato protettivo in oro”, presentano differenze significative nei fondamenti del processo, nelle caratteristiche prestazionali e negli scenari di applicazione adatti.
Principi di processo
Sia l’ENIG che il Ni/Au elettrolitico mirano a formare una struttura composita “nichel + oro” sui ceramic substrate LTCC. Tuttavia, le loro differenze fondamentali nell’implementazione determinano in modo sostanziale le rispettive caratteristiche prestazionali e le applicazioni adatte.
Il nichel-oro chimico (ENIG) utilizza una reazione di deposizione chimica per ottenere la copertura di nichel-oro. Non richiedendo alcuna fonte di alimentazione esterna, si basa esclusivamente su agenti riducenti all’interno della soluzione di placcatura chimica per avviare reazioni redox, depositando progressivamente ioni di nichel e oro sulla superficie del substrato ceramico. L’intero processo si basa su reazioni chimiche autocatalizzate senza corrente elettrica. L’uniformità dello spessore del rivestimento è controllata dalla concentrazione della soluzione di placcatura, dalla temperatura di reazione e dal tempo di lavorazione. Consente un deposito uniforme su strutture di substrati complesse ed è un processo di deposizione puramente chimico.
Flusso del processo di elettrodeposizione dell’oro
Pretrattamento: attivazione della superficie del substrato
Il substrato LTCC viene sottoposto a sgrassaggio e micro-incisione per rimuovere completamente gli oli superficiali, le impurità e gli strati di ossido naturale. Questo crea contemporaneamente una struttura micro-ruvida uniforme sulla superficie del substrato, fornendo una base di adesione stabile per la successiva deposizione di nichel e garantendo una forte adesione tra lo strato di placcatura e il substrato.
Placcatura in nichel chimico: formazione dello strato di lega nichel-fosforo
Il substrato pretrattato viene immerso in una soluzione di placcatura in nichel chimico. Sotto l’azione dei catalizzatori, l’ipofosfito nella soluzione di placcatura subisce reazioni redox, riducendo gli ioni di nichel a nichel metallico che si deposita sulla superficie del substrato. Questo alla fine forma uno strato di nichel con uno spessore di 2-8 μm. Questo processo comporta la generazione di una piccola quantità di fosforo (contenuto di fosforo 7%-11%), con conseguente formazione di uno strato di lega di nichel-fosforo anziché di uno strato di nichel puro.
Placcatura in oro chimico: deposito di un sottile strato protettivo di oro
Dopo la formazione dello strato di lega di nichel-fosforo, uno strato sottile di oro con uno spessore di 0.05-0.3 μm viene depositato sulla sua superficie tramite una reazione di spostamento o riduzione. La funzione principale dello strato d’oro è quella di proteggere lo strato di nichel dall’ossidazione, migliorando al contempo la compatibilità di saldatura del substrato.
Caratteristiche principali dell’intero processo: si basa interamente su reazioni chimiche autocatalizzate senza richiedere corrente elettrica. L’uniformità dello spessore del rivestimento è controllata dalla concentrazione del bagno, dalla temperatura di reazione e dal tempo di lavorazione. Consente un deposito uniforme su tutta la superficie di substrati con strutture complesse ed è un processo di deposito puramente chimico.
La galvanizzazione nichel-oro comporta il deposito del rivestimento attraverso una reazione elettrolitica, che richiede un’alimentazione esterna a corrente continua. Il substrato LTCC funge da catodo, con piastre di nichel e oro che fungono da anodi, immerse nella corrispondente soluzione di placcatura. Una volta alimentati, sotto l’influenza del campo elettrico, gli ioni di nichel/oro si dissolvono dagli anodi nella soluzione di placcatura. Questi ioni migrano quindi verso la superficie del substrato catodico, dove vengono ridotti e depositati, formando il rivestimento metallico. La sequenza del processo comprende analogamente tre fasi principali: pretrattamento, nichelatura e doratura. Tuttavia, la logica tecnica di ciascuna fase differisce da quella della doratura per immersione:
Pretrattamento: miglioramento dell’attivazione conduttiva
Il processo fondamentale comprende lo sgrassaggio e la microincisione (identici alla doratura). La differenza fondamentale risiede nel requisito aggiuntivo del “trattamento di conduttività”, ovvero la creazione di una pellicola conduttiva sulla superficie isolante del substrato ceramico attraverso mezzi fisici o chimici. Ciò garantisce che il substrato possa funzionare come catodo nelle successive reazioni elettrolitiche, impedendo il fallimento della deposizione del rivestimento a causa della mancanza di conduttività.
Placcatura in nichel: controllo preciso dello spessore dello strato di nichel puro
Creazione del sistema elettrolitico: il substrato LTCC funge da catodo, con una placca di nichel puro come anodo, entrambi immersi nella soluzione di placcatura in nichel. Applicando una fonte di alimentazione CC esterna, il campo elettrico fa sì che gli ioni di nichel dell’anodo si dissolvano nella soluzione di placcatura. Questi ioni migrano quindi in modo direzionale verso la superficie del substrato catodico, dove si riducono e si depositano, formando uno strato di nichel puro. Regolando la densità di corrente, è possibile controllare con precisione lo spessore dello strato di nichel (in genere 3-15 μm). Il rivestimento risultante è costituito da nichel metallico di elevata purezza, privo di elementi fosforici.
Placcatura elettrolitica dell’oro: regolazione flessibile delle specifiche dello strato d’oro
Continuando con la logica del sistema elettrolitico: sostituire l’anodo con una piastra d’oro puro e immergerla nella soluzione di placcatura dell’oro. Allo stesso modo, sotto l’azione del campo elettrico, gli ioni d’oro si depositano selettivamente sulla superficie dello strato di nichel per formare lo strato d’oro. A seconda dei requisiti dell’applicazione, lo spessore dello strato d’oro può essere selezionato in modo flessibile: oro sottile (0,1-0,5 μm) per la protezione standard e la saldatura, oro spesso (1-5 μm) per l’incollaggio o scenari di alta protezione.
Differenze di prestazioni
I diversi principi di processo determinano direttamente variazioni significative tra la placcatura in oro e il nichel-oro elettrolitico in parametri chiave quali la struttura del rivestimento, le prestazioni di saldatura, l’affidabilità e il costo. Queste differenze costituiscono la base fondamentale per la selezione.
In termini di uniformità del rivestimento e capacità di copertura, la placcatura in oro chimico dimostra prestazioni superiori. Poiché non richiede corrente elettrica, il processo non è influenzato dalla geometria del substrato o dalla densità del circuito. È in grado di formare un rivestimento uniforme su strutture complesse come tracce sottili, vie cieche e incavi all’interno di substrati LTCC, con variazioni minime di spessore. Il nichel-oro elettrolitico, invece, è sensibile alla distribuzione del campo elettrico. Ciò spesso comporta un rivestimento eccessivamente spesso ai bordi del substrato e agli angoli dei circuiti, mentre possono verificarsi rivestimenti sottili o addirittura lacune di rivestimento sul fondo dei fori ciechi e negli spazi tra le tracce. È particolarmente inadatto per substrati LTCC ad alta densità e linee sottili. Ad esempio, su substrati LTCC con larghezze/spaziature delle linee inferiori a 50 μm, la deviazione dell’uniformità del rivestimento in oro placcato può essere controllata entro ±10%, mentre il nichel-oro elettrolitico può presentare deviazioni superiori a ±20%.
Per quanto riguarda l’affidabilità della saldatura, entrambi i metodi presentano vantaggi e svantaggi distinti. Lo strato di lega di nichel-fosforo dell’oro chimico mostra un’eccellente bagnabilità con la saldatura. Gli strati sottili di oro si dissolvono rapidamente nella saldatura, formando composti intermetallici stabili (IMC) che conferiscono un’elevata resistenza al giunto saldato. Tuttavia, il fosforo nella lega di nichel-fosforo può formare composti di nichel-fosforo fragili durante la saldatura ad alta temperatura. Temperature eccessivamente elevate o tempi di saldatura prolungati possono portare alla rottura del giunto saldato. Lo strato di nichel ad alta purezza del nichel-oro elettrolitico presenta una compatibilità superiore con la saldatura, producendo composti intermetallici più stabili e una maggiore affidabilità di saldatura, pur resistendo a più cicli di rifusione. Tuttavia, se lo strato spesso di oro non si dissolve completamente, può causare l’infragilimento dell’oro, compromettendo la resistenza del giunto. Di conseguenza, per le applicazioni di saldatura si raccomanda in genere una placcatura sottile in oro.
In termini di resistenza alla corrosione e durata, il nichel-oro elettrolitico offre vantaggi superiori. Il sottile strato di oro (0,05-0,3 μm) nell’oro ad immersione ha principalmente una funzione protettiva. L’uso prolungato o l’esposizione ad ambienti difficili può causare l’usura o la corrosione dello strato di oro, compromettendo successivamente lo strato di nichel. Il nichel-oro elettrolitico, tuttavia, consente di ottenere strati d’oro più spessi con capacità protettive superiori. Inoltre, la resistenza all’ossidazione degli strati di nichel ad alta purezza supera quella degli strati di lega di nichel-fosforo, rendendolo adatto ad applicazioni che richiedono una durata di servizio prolungata. Ad esempio, i substrati LTCC utilizzati in ambienti esterni o in condizioni di alta temperatura/umidità presentano una durata di servizio 2-3 volte superiore con l’oro elettrolitico spesso rispetto all’oro ad immersione.
Per quanto riguarda i costi, la placcatura in oro chimica offre un miglior rapporto qualità-prezzo. Lo spessore dello strato d’oro nella placcatura in oro chimica è solo di 0,05-0,3 μm, con un consumo di oro significativamente inferiore rispetto alla placcatura elettrolitica in nichel-oro (in particolare le soluzioni d’oro spesse). Inoltre, il costo per utilizzo della soluzione di placcatura chimica è inferiore. Al contrario, i depositi di nichel-oro elettrolitico presentano strati più spessi e un consumo di oro più elevato. In combinazione con i maggiori costi di investimento e di energia delle apparecchiature di galvanizzazione, il costo di lavorazione per unità di superficie è in genere 1,5-3 volte superiore a quello della placcatura in oro senza elettricità. Per i substrati LTCC convenzionali prodotti in serie, il vantaggio in termini di costo della placcatura in oro è particolarmente evidente. Tuttavia, in applicazioni specializzate che richiedono una placcatura in oro localizzata e uno spessore elevato e un’elevata affidabilità, il costo aggiuntivo del nichel-oro elettrolitico può essere compensato dai suoi vantaggi in termini di prestazioni.
Strategia di selezione dei ceramic substrate
Moduli di comunicazione ad alta frequenza (applicazioni 5G/onde millimetriche)
Vantaggi significativi della placcatura in oro ad immersione
Stabilità superiore della profondità dello strato superficiale: la variazione dello spessore dello strato d’oro è controllata entro ±8%, migliorando significativamente l’integrità del segnale fino al 40% a 77 GHz.
Eccezionali caratteristiche di bassa ossidazione: dopo 24 ore di esposizione all’ambiente, la resistenza di contatto aumenta solo del 2%, mentre i processi di placcatura in oro mostrano un aumento dell’8%.
Applicazioni tipiche: spesso impiegato negli array di antenne delle unità di antenna attiva (AAU) delle stazioni base e nei componenti dei ricetrasmettitori satellitari (T/R).
Applicazioni di packaging ad alta densità di potenza (relative ai dispositivi SiC/GaN)
Vantaggi significativi della placcatura in oro ad immersione
Eccellente adattamento della dilatazione termica: lo strato di nichel presenta un coefficiente di dilatazione termica (CTE) di 13 ppm/°C, che corrisponde quasi esattamente al CTE di 6-8 ppm/°C dei ceramic substrate.
Forte resistenza alla migrazione ionica: non si sono verificati guasti dopo aver superato 5.000 ore di test di invecchiamento condotti a 85 °C e 85% di umidità relativa.
Scenari di applicazione tipici: ampiamente impiegato nei controller dei motori elettrici per veicoli a nuova energia e inverter fotovoltaici.
Applicazioni di packaging IC 3D su microscala
Vantaggi significativi del processo di immersione in oro
Coplanarità superficiale superiore: la variazione dell’altezza dei pad è inferiore a ±3μm, supportando micro-bumps con passo di 10μm.
Strato di transizione dell’interfaccia sottile: lo spessore dello strato di transizione dell’interfaccia è di soli 30 nm, mentre l’oro elettrodepositato presenta uno spessore superiore a 80 nm.
Nell’ambito delle applicazioni con ceramic substrate, il processo di immersione in oro è diventato la scelta preferita per i sistemi elettronici ad alta affidabilità grazie alla sua eccellente compatibilità con i substrati non conduttivi, alla rugosità superficiale estremamente bassa (valore Ra < 0,06 μm) e all’eccezionale affidabilità termomeccanica. Detiene una posizione dominante nella tecnologia a onde millimetriche 5G e nei campi dei semiconduttori di terza generazione. Al contrario, l’oro elettrodepositato conserva vantaggi insostituibili nelle applicazioni di inserimento/rimozione ad alta resistenza all’usura, come i connettori militari. Guardando al futuro, con il continuo progresso della tecnologia LTCC (Low-Temperature Co-fired Ceramic) e delle tecniche di integrazione eterogenea, il processo di immersione in oro continuerà ad evolversi verso una precisione a livello nanometrico e profili ultrasottili. Questa progressione faciliterà importanti innovazioni tecnologiche nelle comunicazioni 6G e nei dispositivi quantistici.
