Технология LTCC (Low-Temperature Co-fired Ceramics, низкотемпературная керамика совместного обжига) стала основным решением для упаковки высокотехнологичных электронных устройств благодаря высокой плотности проводки, отличной термостойкости и электромагнитной совместимости. Электролитическое никелевое погружное золочение (ENIG) и гальваническое никелево-золотое покрытие представляют собой два основных метода обработки поверхности kерамическая печатная плата LTCC. Хотя оба метода используют основной принцип «никелевый подслой с защитным слоем из золота», они имеют значительные различия в основополагающих принципах процесса, характеристиках производительности и подходящих сценариях применения.
Принципы процесса
Как ENIG, так и гальваническое Ni/Au направлены на формирование композитной структуры «никель + золото» на kерамическая печатная плата LTCC. Однако их фундаментальные различия в реализации определяют их соответствующие эксплуатационные характеристики и подходящие области применения.
Безтоковое никелево-золотое покрытие (ENIG) использует химическую реакцию осаждения для получения никелево-золотого покрытия. Не требуя внешнего источника питания, оно полагается исключительно на восстановители в растворе для безтокового покрытия, которые инициируют окислительно-восстановительные реакции, постепенно осаждая ионы никеля и золота на поверхности керамической подложки. Весь процесс основан на самокатализирующихся химических реакциях без электрического тока. Равномерность толщины покрытия контролируется концентрацией раствора для покрытия, температурой реакции и временем обработки. Это позволяет обеспечить равномерное осаждение на сложных структурах подложки и является чисто химическим процессом осаждения.
Технологический процесс безтокового золочения
Предварительная обработка: активация поверхности подложки
Подложка LTCC подвергается обезжириванию и микротравлению для тщательного удаления поверхностных масел, примесей и естественных оксидных слоев. Этот процесс одновременно создает равномерную микроскопическую шероховатость на поверхности подложки, обеспечивая стабильную основу для последующего осаждения никеля и гарантируя прочное сцепление между покрытием и подложкой.
Химическое никелирование: образование слоя никель-фосфорного сплава
Предварительно обработанная подложка погружается в раствор для химического никелирования. Под действием катализатора гипофосфит в растворе для покрытия вступает в окислительно-восстановительную реакцию, в результате которой ионы никеля восстанавливаются до металлического никеля, который осаждается на поверхности подложки. В результате образуется слой никеля толщиной 2-8 мкм. Этот процесс сопровождается образованием небольшого количества фосфора (содержание фосфора 7–11 %), в результате чего образуется не чистый никелевый слой, а слой никель-фосфорного сплава.
Химическое золочение: осаждение тонкого защитного слоя золота
После образования слоя никель-фосфорного сплава на его поверхность осаждается тонкий слой золота толщиной 0,05–0,3 мкм посредством реакции вытеснения или восстановления. Основная функция золотого слоя заключается в защите никелевого слоя от окисления и одновременно в улучшении паяной совместимости подложки.
Ключевые характеристики всего процесса: он полностью основан на самокатализируемых химических реакциях и не требует внешнего электрического тока. Равномерность толщины покрытия контролируется концентрацией гальванического раствора, температурой реакции и временем обработки. Это позволяет обеспечить равномерное осаждение по всей поверхности подложек со сложной структурой и является чисто химическим процессом осаждения.
Гальваническое никелирование-позолочение, напротив, обеспечивает осаждение покрытия посредством электролитических реакций. Для этого требуется внешний источник постоянного тока, причем подложка LTCC служит катодом, а никелевые и золотые пластины — анодами, погруженными в соответствующие гальванические растворы. При подаче напряжения под воздействием электрического поля ионы никеля/золота растворяются из анодов в гальванический раствор. Затем эти ионы мигрируют к поверхности катодной подложки, где они восстанавливаются и осаждаются, образуя металлическое покрытие. Последовательность процесса аналогично состоит из трех основных этапов: предварительная обработка, никелирование и золочение. Однако техническое обоснование каждого этапа отличается от обоснования прямого золочения:
Предварительная обработка: усиление проводимости
Основной процесс включает обезжиривание и микротравление (аналогично золочению). Основное отличие заключается в дополнительном требовании «обработки проводимости» — создании проводящей пленки на поверхности изолирующей керамической подложки физическими или химическими средствами. Это гарантирует, что подложка может функционировать как катод в последующих электролитических реакциях, предотвращая сбой осаждения покрытия из-за недостаточной проводимости.
Никелирование: точное управление толщиной слоя чистого никеля
Электролитическая установка: подложка LTCC служит катодом, а чистая никелевая пластина — анодом, оба погружены в ванну для никелирования. При подаче внешнего источника постоянного тока электрическое поле вызывает растворение ионов никеля из анода в растворе для нанесения покрытия. Затем эти ионы направляются к поверхности катодной подложки, где они восстанавливаются и осаждаются, образуя слой чистого никеля. Регулируя плотность тока, можно точно контролировать толщину никелевого слоя (обычно 3-15 мкм). Осадок состоит из высокочистого металлического никеля, не содержащего фосфора.
Покрытие золотом: гибкая настройка характеристик золотого слоя
По тому же электролитическому принципу: замените анод на пластину из чистого золота и погрузите ее в раствор для золотого покрытия. Аналогично, под воздействием электрического поля ионы золота избирательно осаждаются на поверхности никелевого слоя, образуя слой золота. В зависимости от требований применения толщина слоя золота может быть гибко выбрана: тонкое золото (0,1-0,5 мкм) для стандартной защиты и пайки, и толстое золото (1-5 мкм) для склеивания или сценариев с высокой степенью защиты.
Различия в характеристиках
Различные принципы процесса приводят к значительным различиям между химическим золочением и гальваническим никелированием-позолочением по таким ключевым показателям, как структура покрытия, паяемость, надежность и стоимость. Эти различия являются основной основой для выбора.
С точки зрения однородности покрытия и способности покрытия, химическое золочение демонстрирует превосходные характеристики. Поскольку оно не требует электрического тока, на процесс не влияют геометрия подложки или плотность схемы. Оно может образовывать однородное покрытие на сложных поверхностях подложек LTCC, включая тонкие дорожки, слепые переходные отверстия и углубления, с минимальными отклонениями по толщине. Однако гальваническое никель-золото подвержено влиянию распределения электрического поля. Это часто приводит к чрезмерной толщине покрытия на краях подложки и углах схемы, в то время как на дне слепых переходных отверстий и в междорожных пространствах может образовываться тонкое покрытие или даже пробелы в покрытии. Оно особенно неподходяще для высокоплотных LTCC-подложек с тонкими линиями. Например, на подложках LTCC с шириной/расстоянием между линиями менее 50 мкм отклонение однородности гальванического золотого покрытия можно контролировать в пределах ±10%, тогда как гальваническое никель-золото может иметь отклонения, превышающие ±20%.
Что касается надежности пайки, оба метода имеют явные преимущества и недостатки. Слой никель-фосфорного сплава безтокового золота обладает отличной смачиваемостью припоем. Тонкие слои золота быстро растворяются в припое, образуя стабильные интерметаллические соединения (IMC), которые обеспечивают высокую прочность паяных соединений. Однако фосфор в никель-фосфорном сплаве может образовывать хрупкие никель-фосфорные соединения при высокотемпературной пайке. Чрезмерно высокие температуры или длительное время пайки могут привести к растрескиванию паяных соединений. Высокочистый никелевый слой гальванического никель-золота демонстрирует превосходную совместимость с припоем, обеспечивая более стабильные интерметаллические соединения и повышенную надежность пайки, а также выдерживая многократные циклы переплавки. Однако, если толстый слой золота не растворяется полностью, это может привести к охрупчиванию золота, что снижает прочность соединения. Поэтому для пайки обычно рекомендуется использовать тонкое золотое покрытие.
С точки зрения коррозионной стойкости и срока службы, гальваническое никель-золото обладает превосходными преимуществами. Тонкий слой золота (0,05-0,3 мкм) в погружном золоте в первую очередь выполняет защитную функцию. При длительном использовании или воздействии агрессивных сред слой золота подвержен износу или коррозии, что впоследствии может повлиять на слой никеля. Однако гальваническое никель-золото позволяет наносить более толстые слои золота с превосходными защитными свойствами. Кроме того, стойкость к окислению высокочистых никелевых слоев превосходит стойкость слоев никель-фосфорного сплава, что делает их пригодными для применения в условиях, требующих длительного срока службы. Например, подложки LTCC, используемые в наружных условиях или в условиях высокой температуры/влажности, демонстрируют срок службы, в 2-3 раза превышающий срок службы погружного золота, при использовании толстого гальванического золота.
Что касается стоимости, химическое золочение предлагает лучшее соотношение цены и качества. Толщина слоя золота при химическом золочении составляет всего 0,05-0,3 мкм, что приводит к значительному снижению потребления золота по сравнению с гальваническим никель-золотым покрытием (особенно с толстыми золотыми растворами). Кроме того, стоимость химического покрытия на единицу использования ниже. В отличие от этого, гальванические никель-золотые покрытия характеризуются более толстыми слоями и более высоким расходом золота. В сочетании с более высокими капиталовложениями и затратами на энергию для гальванического оборудования, стоимость обработки единицы площади обычно в 1,5-3 раза выше, чем у химического золотого покрытия. Для массово производимых традиционных подложек LTCC преимущество безтокового золочения в стоимости особенно заметно. Однако в специальных случаях, требующих локальных толстых слоев золота и высокой надежности, более высокая стоимость гальванического никель-золотого покрытия может быть компенсирована его преимуществами в производительности.
Кроме того, с точки зрения совместимости с последующей обработкой, безтоковое золочение лучше подходит для пайки, а гальваническое никель-золотое покрытие — для склеивания. Тонкий слой золота при химическом золочении быстро сплавляется с припоем, устраняя риск охрупчивания золота из-за остаточных слоев золота. И наоборот, толстый слой золота при гальваническом никелево-золотом покрытии соответствует требованиям для соединения золотой проволокой и золотой лентой, обеспечивая высокую прочность соединения и отличную стабильность. Это делает его распространенным решением для RF- и микроволновых LTCC-подложек.
Стратегия выбора kерамическая печатная плата
Высокочастотные коммуникационные модули (применение в сетях 5G/миллиметрового диапазона)
Существенные преимущества погружного золочения
Превосходная стабильность глубины скин-слоя: колебания толщины золотого слоя контролируются в пределах ±8%, что значительно повышает целостность сигнала до 40% при частоте 77 ГГц.
Выдающиеся характеристики низкого окисления: после 24 часов воздействия окружающей среды контактное сопротивление увеличивается всего на 2% по сравнению с 8% при гальваническом золочении.
Типичные области применения: часто используется в массивах активных антенных блоков (AAU) для базовых станций и компонентов спутниковой передачи/приема (T/R).
Применение в корпусах с высокой плотностью мощности (связанных с устройствами SiC/GaN)
Значительные преимущества погружного золочения
Отличное согласование теплового расширения: коэффициент теплового расширения (CTE) никелевого слоя составляет 13 ppm/°C, что хорошо согласуется с CTE kерамическая печатная плата 6–8 ppm/°C.
Высокая стойкость к миграции ионов: не наблюдалось отказов после 5000 часов испытаний на старение при 85 °C и относительной влажности 85 %.
Типичные сценарии применения: широко используется в контроллерах электродвигателей для автомобилей на новых источниках энергии и фотоэлектрических инверторах.
Применение в микромасштабных 3D-корпусах интегральных схем
Значительные преимущества процесса погружного золочения
Превосходная копланарность поверхности: разница в высоте контактных площадок составляет менее ±3 мкм, что позволяет использовать микровыступы с шагом 10 мкм.
Тонкий переходный слой: толщина переходного слоя составляет всего 30 нм, в то время как толщина гальванического золота превышает 80 нм.
В kерамическая печатная плата процесс погружного золочения стал предпочтительным выбором для высоконадежных электронных систем благодаря отличной совместимости с непроводящими подложками, чрезвычайно низкой шероховатости поверхности (значение Ra < 0,06 мкм) и превосходной термомеханической надежности. Он занимает доминирующее положение в области технологии миллиметровых волн 5G и полупроводников третьего поколения. С другой стороны, гальваническое золото сохраняет незаменимые преимущества в приложениях с высокой износостойкостью при вставке/извлечении, таких как военные разъемы. В перспективе, с постоянным развитием технологии низкотемпературной совместной обжигаемой керамики (LTCC) и методов гетерогенной интеграции, процесс погружного золочения будет постоянно развиваться в направлении нанометровой точности и ультратонких профилей. Это развитие будет способствовать крупным технологическим прорывам в области 6G-связи и квантовых устройств.
