为何陶瓷PCB优先选择沉金表面处理而非电镀金工艺？

2025-05-27 14:16:37

155

在PCB制造领域，表面处理工艺对电路可靠性和信号传输具有决定性影响。相较于常规FR-4基板，陶瓷基板（Al₂O₃/AlN）因其独特的无机非导电特性，在表面处理工艺选择上呈现显著差异性。本文聚焦沉金（ENIG）与镀金（Electroplating Gold）两种主流工艺，通过对比揭示陶瓷基板优先采用化学沉金工艺的深层机理。

陶瓷电路板的表面处理工艺通常包括：光板（不进行任何处理）、松香板、OSP（有机焊料防护剂）、喷锡（包括铅锡与无铅锡）、镀金板、沉金板、沉银板。这些处理工艺各具特点，能够满足不同应用场景的需求。

沉金与镀金的定义与工艺

镀金通常指的是“电镀金”、“电镀镍金板”、“电解金”等，其中包括软金和硬金的区别。其原理是将镍和金（又称金盐）溶解于化学溶液中，将线路板浸入电镀槽并通电，从而在电路板的铜箔上形成镍金镀层。电镀镍金因其较高的硬度、耐磨性和抗氧化特性，被广泛应用于电子产品。

沉金工艺通过化学氧化还原反应生成镀层，通常形成的金层较厚，是一种化学镍金沉积方法。以下是陶瓷电路板沉金与镀金的优缺点及差异分析：

沉金与镀金的比较

陶瓷电路板普遍采用沉金工艺，主要是由于镀金板在焊接性能方面的不足。尽管部分客户仍然选择镀金，沉金工艺的优势却使其成为更优的选择。两者的主要差异如下：

1. 厚度与外观：沉金的膜厚通常在0.025-0.1微米之间，相较于镀金，沉金金层更为厚重且呈现明显的金黄色，而镀金则因金层较薄而略显发白（这是由于镍的颜色）。

2. 焊接性能：相较于镀金，沉金板更易焊接，焊接不良的几率较低，尤其在陶瓷封装领域中，沉金工艺更为可靠。

3. 信号传输：沉金板的焊盘如有镍金，信号在铜层内传输，不会受到金层的负面影响。

4. 抗氧化性：沉金的晶体结构相对更加致密，因此在氧化方面表现优于镀金。

5. 加工精度：随着对陶瓷电路板加工精度要求的提升，沉金板在避免金丝短路问题上相对更具优势，特别是在金瑞欣等特种电线路板的线宽与间距达到2~6毫升时。

6. 结合强度：沉金板的焊盘与铜层结合更加牢固，在进行工程补偿时不会影响线路的距离。

7. 平整度与使用寿命：对于对平整度要求较高的电路板，沉金工艺通常可以提供更好的平整性，且沉金板的使用寿命也优于镀金板，后者在拼装后常出现黑垫现象。

电镀金（Electroplated Gold）

工艺本质：基于电化学沉积原理，通过外部电流驱动金属离子还原，在导电基底上形成金属镀层。

技术细分：

软金：纯度＞99.99%，硬度50-90HV（维氏硬度），用于金丝键合（Bonding Wire）。

硬金：添加钴/镍（0.1-0.3wt%），硬度＞150HV，适用于高频插拔触点（如射频连接器）。

工艺流程：基板活化→闪镀镍（1-2μm）→直流电镀金（0.3-1.5μm）→去离子水清洗

关键参数：电流密度0.5-2.5A/dm²，镀液温度45-65℃，金层厚度均匀性±25%。

沉金（ENIG，Electroless Nickel Immersion Gold）

工艺本质：通过自催化化学反应实现金属沉积，无需外部电流，适配非导电基材。

化学反应：

化学镀镍：Ni²⁺ + H₂PO₂⁻ + H₂O → Ni（沉积） + H₂PO₃⁻ + 2H⁺

浸金置换：2Au(CN)₂⁻ + Ni → 2Au（沉积） + Ni²⁺ + 4CN⁻

工艺流程：基板粗化→化学镀镍（3-5μm）→浸金（0.05-0.1μm）→后固化处理

关键参数：镍层磷含量6-9wt%，金层厚度均匀性±8%，表面粗糙度Ra＜0.06μm。

性能对比与场景适配性

技术指标	沉金（ENIG）	电镀金
基材兼容性	直接适配非导电陶瓷（无需导电种子层）	需预溅射铜/银导电层（增加成本15-20%）
高频性能	28GHz插入损耗＜0.15dB/cm（金层均匀性±8%）	28GHz插入损耗＞0.25dB/cm（金层波动±25%）
热机械可靠性	1000次-55~150℃热循环后，IMC层厚度增长＜0.3μm	500次循环后IMC层开裂风险＞30%
微观结构	镍层柱状晶直径＜50nm，孔隙率＜0.5个/cm²	镍层树枝状生长，孔隙率3-5个/cm²
工艺成本	0.8-1.2美元/dm²（含化学镀液消耗）	0.5-0.9美元/dm²（不含种子层设备投资）
环保性	无氰化物工艺（符合RoHS 3.0）	需氰化金钾电解液（废水处理成本增加20%）

陶瓷基板场景化选型逻辑

高频通信模块（5G/毫米波）

沉金优势：趋肤深度稳定性：金层厚度波动＜±8%，77GHz频段信号完整性提升40%。

低氧化特性：暴露24h后接触电阻仅上升2%（镀金上升8%）。

典型应用：基站AAU天线阵列、卫星T/R组件。

高功率密度封装（SiC/GaN器件）

沉金优势：热膨胀匹配性：镍层CTE=13ppm/℃ vs 陶瓷基板CTE=6-8ppm/℃。

抗离子迁移：85℃/85%RH老化测试＞5000h无失效。

典型应用：新能源汽车电机控制器、光伏逆变器。

微型化3D IC封装

沉金优势：表面共面性：焊盘高度差＜±3μm（支持10μm pitch微凸点）。

界面过渡层厚度仅30nm（电镀金＞80nm）。

在陶瓷基板应用中，沉金工艺凭借其非导电基材兼容性、超低表面粗糙度（Ra＜0.06μm）及卓越热机械可靠性，已成为高可靠电子系统的首选方案，尤其在5G毫米波和第三代半导体领域占据主导地位。而电镀金在高耐磨插拔场景（如军用连接器）仍具不可替代性。未来，随着低温共烧陶瓷（LTCC）技术和异构集成的演进，沉金工艺将进一步向纳米级精度和超薄化方向发展，推动6G通信和量子器件的技术突破。