现代电子技术的高速发展促进了电子产品向更高性能、更多功能、高频高速、轻薄便携及低成本的方向发展，因此对集成系统要求也越来越高。引线键合(wire  bonding,WB)和倒装封装(flip  chip,FC)方法的出现，较好实现了航天航空、计算机、医疗等领域对小型化、微型轻薄化等高精仪器组装的需求。为增强封装可靠性，封装基板的表面处理技术十分重要。

金以其优异的导电性、焊接性、低电阻、耐高温以及良好的耐磨性，被广泛应用于电镀行业，其良好的耐蚀性与高化学稳定性，更被广泛应用于装饰性电镀行业。目前，在镀金工艺中，较为常用的方法有电镀镍金、化学镍钯金等。在焊接过程中，金层作为与焊料最先接触的表面涂覆层，其性能变化直接影响焊点可靠性，影响因素有镀金溶液体系、基材材料、金层性能等。金面粗糙作为电镀镍金工艺中的常见异常之一，其形成原因主要为镀液体系异常引发镀层晶格形貌变异。本研究将不同杂质离子引入镀液体系，分析不同杂质离子对镀层晶格的影响变化，从而为后续现场镀液体系管控提供理论基础。

1.1 电镀镍金流程及产品特性

电镀镍金加工基本流程为：除油→微蚀→酸洗→镀镍→镀金。镀层晶格形态受底层金属的晶格形态影响较大，一般沿基底金属层的晶格形态生长。电镀镍金工艺中镀金层较薄，镍金层晶格形态主要表现为镀镍层的晶格形态，而镀镍层的晶格形态则沿基底金属铜层的晶格形态生长，一般呈现为规律的柱状形态。对基板镀金产品进行聚焦离子束测试(focused  ion beam,FIB),其结果如图1所示。

1.2 电镀镍金金面粗糙介绍

金面粗糙为基板镀金后常见的外观缺陷之一(见图2),采用金相显微镜进行对比可知，相较金面合格样品外观，金面粗糙样品的外观偏暗。分析其原因，主要是金面粗糙样品的晶胞更为粗大，在正向光源下，金面粗糙样品的漫反射路线较为单一，因此存在外观发暗现象。采用扫描电子显微镜(Scanning  Electron Microscope,SEM)对比，其结果佐证了金面粗糙样品与金面合格样品存在差异的原因，是由于粗糙金面晶胞相对更大。

由FIB比对测试可知，金面粗糙样品的镀镍层晶格呈无规律性生长趋势，与金面合格样品的规律性柱状结构存在明显差异。综合上述分析可知，造成金面粗糙这一缺陷的主要原因为镀镍层晶格呈无规律性生长。

图2 电镀金面样品

1.3 金面粗糙产生机理

金面粗糙主要表现为镀层晶格存在差异，镀层晶格形貌可通过反应溶液中诱导剂的用量来调控。从基板电镀镍金工艺流程和失效分析(Failure  Analysis,FA)结果看，镀层晶格的诱变主要发生在镀镍过程，因此，金面粗糙的诱因是由于镍层晶格在生长过程中受到额外引入杂质离子的诱变，进而出现晶格稀疏、晶胞增大现象。本研究将与生产过程相关的物质引入镀液体系，以分析其对金面粗糙缺陷产生的影响。

2.1 试验材料

试验对象：基板(电镀镍金工艺前)。

试验环境：镍槽药水(硫酸镍、氯化镍、硼酸、硫酸混合配置)。

试验装置：哈林槽、整流器。

试验对象：①有机材料组——有机干膜、线体油污、油墨、拖缸板吸附物;②无机材料组——硫酸铜、硫酸锌、阳极泥(NiS₂)。

2.2 试验方案

一般情况下，通过监控溶液中总有机碳(total organic  carbon,TOC)含量来管控有机材料中的溶出物，以碳含量表示水中有机物的TOC总量。本研究对TOC含量不同的溶液进行测试，以观察其对镍层晶格生长的影响，并在达到一定TOC析出量时，对比在实际生产环境中可接触到的不同有机材质对镍层晶格生长的影响。同时引入不同生产过程常见的金属离子、镀镍槽副产物阳极泥(NiS₂),以测试无机材料对镍层晶格生长的影响。

2.2.1 TOC含量影响测试

分别选用5  mg/L、10mg/L、15mg/L、20mg/L、30mg/L进行TOC浓度梯度测试;哈林槽中药水采用镍槽溶液体系，控制温度为45℃,镀镍过程电流密度统一设定为1.2  A/dm²,镀镍时长为37  min;另配置不同有机物质包括有机干膜、线体油污、油墨、拖缸板吸附物分别进入哈林槽中构成不同实验组(4组)。其中有机材料测试实验组对应材料均优先加入纯水溶液中进行溶解析出，再将析出溶液加入哈林槽，同时TOC含量控制大于20  mg/L。

2.2.2无机金属离子含量影响测试

配置不同无机物质，将硫酸铜、硫酸锌、阳极泥分别加入哈林槽中，构成不同试验组(3组);哈林槽中的药水采用镍槽溶液体系，控制其温度为45℃,镀镍过程电流密度统一设定为1.2  A/dm²,镀镍时长为37 min。

2.3 试验仪器

主要采用金相显微镜、扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)、X射线能谱仪(energy dispersive  spectrometer,EDS)进行测试。

3.1 TOC含量影响测试

TOC含量影响测试结果如图3和表1所示，从电子显微镜扫描结果可知，镍层晶胞随着TOC含量的递增呈规律性增大趋势，TOC含量达到15mg/L时晶胞开始变大;TOC含量达到20  mg/L时，镍层晶胞大小出现明显突变。根据EDS测试结果，未发现异种元素沉积，可知TOC对镀层晶格形貌主要起到诱变作用。从测试结果看，控制镍层晶格变异的关键点在于镍槽溶液环境中TOC含量需低于20  mg/L,且管控在15 mg/L以下时，对晶格生长的影响可降到最低。

图3 不同TOC含量的SEM表面形貌

表1 不同TCO含量的EDS元素分析

不同有机物质对镍层晶格形貌影响测试结果如图4和表2所示。由测试结果可知，当TOC含量大于20  mg/L时，各测试组的镍槽晶胞与正常组相比，均出现较大差异。测试组的晶胞变化影响趋势为：拖缸板吸附物组>有机干膜组>线体油污组>油墨组。其中，油墨组的变化差异较小，其原因可能是油墨主要成分为高分子树脂，测试环境中的TOC含量大于20  mg/L,但由于其为高分子结构，实际作用的分子含量较少，故而诱导引发镀层晶格变异的能力较弱;拖缸板吸附物组和有机干膜组的测试结果与正常组相比存在明显差异，可知有机干膜及拖缸板上的吸附物对镀镍过程晶格生长的影响较大。因此，在加工过程中，需加强对有机干膜和拖缸板使用规范的管控。

图4 不同有机物质影响测试图

表2 不同有机物质影响测试表

3.2 无机物质含量影响测试

在电镀液中分别加入硫酸铜、硫酸锌和阳极泥后，SME测试镍层晶格形貌如图5所示。

图5 金属离子含量对镍层晶格形貌影响

由图5可知，铜离子对镍层晶格形貌影响较小，锌离子浓度大于2.8 mg/L时，镍层晶胞大小发生明显突变。由金属活动性顺序及金属电位可知，Cu、Ni和Zn  3种元素的活泼性大小为：Zn>Ni>(H)>Cu;3种元素的电位关系为：Zn(-0.763V)<NI(-0.23V)<CU(+0.36V)。因此，在电镀反应中，ZN离子达到一定含量时，与NI离子产生竞争关系，发生共沉积现象，进而诱导镍层晶格形貌发生变异，而CU离子则不会引发该现象。由阳极泥对镍层的影响结果可知，当其添加量达到20G时，未导致镍层晶格产生变异，可能与其主要成分有关，且未带入其他活泼金属杂质离子。

本文探究金面粗糙现象的产生原因，引入的诱导成分不同，其发生概率及变化程度也存在差异。有机物质的溶出测试结果表明，TOC含量大于20mg/L时，会诱发镍层晶格发生突变，其中，有机干膜溶出物对镍层晶格诱变影响作用更为明显。因此，在基板加工过程中，对非必要贴膜区域，应尽量减少其干膜贴覆面积，进而控制干膜于镀镍槽溶出，以改善或延长药水使用周期，降低金面粗糙产生概率。

无机金属离子对镍层晶格形貌影响主要在于引入的金属离子，取决于离子活泼性和电负性是否高于镍离子;在电镀过程中，活泼性或电负性更高的金属离子会与镍离子产生竞争关系，进而导致镍层晶格形貌发生突变。因此，须严格把控设备维护保养过程，如对设备金属露出部位的打磨以及非漏出部分的防腐保护动作，均须按要求维护到位，以避免金属腐蚀溶解进入槽体溶液中。

除镀镍过程中药水环境的影响外，不同铜面形貌对镍槽晶格生长的影响也是亟待研究的方向。