氮化铝多层共烧陶瓷基板的化学镀镍钯金工艺
氮化铝多层高温共烧陶瓷（HTCC）基板凭借其卓越的散热性能（热导率显著高于LTCC，约两个数量级）以及与芯片匹配的热膨胀系数，成为高功率器件的理想选择。然而，HTCC制造过程中采用的高熔点钨金属化层本身不具备可焊性与键合性，这成为制约其电子组装的瓶颈。化学镀镍钯金（ENEPIG）是实现该表面改性的关键工艺。
目前针对HTCC基板ENEPIG工艺的系统研究相对较少。本文深入阐述了在HTCC基板上沉积ENEPIG镀层的技术原理，重点分析了镀层沉积过程中导致附着力问题的关键因素，为提升HTCC基板ENEPIG镀层的质量稳定性提供了重要的理论依据和实践指导方向。
随着电子器件向小型化、多功能化、高功率密度化方向快速发展，散热问题日益成为关键瓶颈。氮化铝多层高温共烧陶瓷（HTCC）基板以其卓越的散热性能（热导率较LTCC基板高约两个数量级）、与芯片匹配的热膨胀系数及低介电损耗，成为高功率应用的理想选择。然而，HTCC制造中采用的高熔点钨（W）金属化层不具备可焊性与键合性，因此必须对其表面进行改性以实现可靠的电子装配。
化学镀镍钯金（ENEPIG）是实现HTCC钨导体表面改性的最理想方案。ENEPIG镀层具备显著优势：
优异的可焊性与键合性：满足各类封装互连需求；
高可靠性：钯（Pd）中间层有效阻隔镍（Ni）向金（Au）层扩散与迁移，防止镍腐蚀与氧化，避免“镍黑”缺陷，提升长期可靠性；
设计灵活性：特别适用于高密度电路设计；
成本效益：钯均价约为金的1/3，引入钯层可显著降低所需金层厚度，降低生产成本。
然而，HTCC基板ENEPIG镀层在实际生产中常面临附着力不足的问题，已成为制约量产应用的关键技术瓶颈。本文深入阐述HTCC基板上沉积ENEPIG镀层的技术原理，系统分析镀层附着力问题的成因，旨在为提升HTCC基板ENEPIG镀层的质量稳定性和工艺控制提供理论依据与实践指导方向。
化学镀镍钯金（ENEPIG/ENEPEG）原理
1. 技术背景与发展
化学镀镍钯金技术于20世纪90年代中期兴起，早期主要应用于印制电路板（PCB）领域但发展缓慢。2006年欧盟RoHS指令强制推行无铅焊接后，该工艺因在可靠性、焊接性、成本控制等方面的显著优势，迅速成为PCB表面处理的主流技术
2. 沉积机理分类
化学镀按反应机制分为两类：
氧化还原反应沉积（Electroless, "E"）：通过还原剂在催化表面持续沉积金属，镀层厚度可控。
置换反应沉积（Immersion, "I"）：通过基体金属与镀液离子的置换反应成膜，厚度有限且可能损伤基底。
3. 镀层体系细分
化学镀镍钯金体系依沉积机理可分为：
| 工艺类型 | 沉积机理 | 特点 |
|---|---|---|
| ENIPIG | Ni-E / Pd-I / Au-I | 钯/金层为置换沉积，存在界面缺陷风险 |
| ENEPIG | Ni-E / Pd-E / Au-I | 钯层为化学沉积，金层为置换沉积 |
| ENEPEG | Ni-E / Pd-E / Au-E | 全化学沉积，厚度可控，彻底规避"镍黑" |
4. HTCC专用工艺要求
针对HTCC基板的高温应用场景：
镀镍层：需采用耐高温镍硼合金（Ni-B），以硼氢化物为还原剂，反应式为：
镀钯层：以次亚磷酸盐还原生成致密钯磷合金（Pd-P）：
作用：① 阻隔镍扩散；② 抑制镍氧化；③ 提升镀层硬度（增强键合性能）
镀金层：采用氧化还原沉积（非置换反应），以次亚磷酸盐还原生成金磷合金（Au-P）
优势：厚度可控、无基底损伤、致密性高
在氮化铝HTCC制造方面，国外较为领先，但主要集中在日本，以日本的京瓷和MARUWA两家企业为代表；在化学镀镍钯金药水方面，主要的药水供应商有罗门哈斯、安美特、上村化工、乐思化学、优美科和成功科技等，这些药水主要应用于PCB领域。
在国内，氮化铝HTCC制造及表面金属化镀覆尚处于起步阶段，国内厂家较少具备在HTCC上沉积化学镍钯金镀层的能力。HTCC上沉积化学镍钯金镀层的基本流程如图1所示。
钨导体微观结构与镀层基础
钨导体特征
多孔非致密结构，陶瓷相（AlN/Y₂O₃等）嵌入钨骨架
功能：① 增强钨-陶瓷界面结合力；② 降低共烧温度
镀层-基底互锁机制：钨导体的微孔结构显著影响镀液浸润性及镀层结合强度，是工艺控制的关键界面。
阶梯式镀层构建策略
| 工序 | 功能 | 微观作用 |
|---|---|---|
| 初始Ni层沉积 | 形成金属过渡层 | 填充钨骨架孔隙，建立导电通路 |
| 热处理 | 激活Ni-W互扩散 | 形成冶金结合，提升附着力 (>400℃) |
| 二次Ni层沉积 | 构建平整表面 | 消除孔隙，为Pd/Au层提供均质基底 |
| Pd/Au沉积 | 实现表面功能化 | 提供焊接/键合/打线活性界面 |
→ 镀层质量验证（图b）：最终Ni-Pd-Au镀层呈现致密均一结构，满足高可靠性封装需求。
影响化学镍钯金镀层附着力的因素
核心挑战：HTCC化学镀镍钯金（ENEPIG/ENEPEG）工艺中，钨-镍界面与镍层间界面的附着力失效是主要失效模式（图3-4），其控制需聚焦前处理与镀液参数优化。
1. 前处理工艺的关键作用
前处理旨在构建洁净/高活性钨表面，为冶金结合奠基：
| 工序 | 功能目标 | 工艺控制要点 |
|---|---|---|
| 除油 | 去除有机污染物 | 禁用强碱性体系（pH>9），防止AlN水解：AlN+3HX2O碱性 |
| 微蚀刻 | ① 去除玻璃相（>5%vol时显著降低结合力） ② 暴露新鲜钨晶格 | 控制刻蚀深度（0.2-0.5μm），避免过度腐蚀导致孔隙扩大 |
| 活化 | 构建纳米钯（Pd）催化位点 | 钯颗粒粒径≤50nm（图5能谱验证），覆盖率>95%，确保化学镍均匀形核 |
2. 镀液体系的精密调控
镀液稳定性直接决定界面冶金质量：
| 镀液类型 | 关键控制参数 | 失效风险 |
|---|---|---|
| 化学镀镍液 | - [Ni²⁺]：4.5-6.0 g/L - 还原剂（DMAB）浓度偏差≤5% - pH 5.2-5.8（硼酸缓冲） | 镀层疏松→结合力↓ 析氢加剧→孔隙率↑ |
| 化学镀钯液 | - [Pd²⁺]：0.8-1.2 g/L - 络合剂（EDTA）老化度<30% - 温度 55±1℃ | 钯层针孔→镍扩散通道→"镍黑" |
| 化学镀金液 | - [Au⁺]：0.5-0.8 mg/L - MTO（金属周转量）<5 cycles - 搅拌速率 2-4 m/s | 置换反应→基底腐蚀 厚度不均→键合失效 |
监控体系：建立镀液参数实时监测（如在线pH/温度传感器）与生命周期模型（MTO预测），确保金属离子浓度波动
镀层应力演化机制与调控
应力产生根源：
| 应力类型 | 产生机制 | 影响系数 |
|---|---|---|
| 本征应力 | 镀层结构缺陷（空位/位错/杂质） | ★★★ |
| 热失配应力 | 钨/镍/钯/金CTE差异（CTE<sub>W</sub>:4.5 vs CTE<sub>Ni</sub>:13.4 μm/m·K） | ★★★★ |
| 界面晶格错配应力 | 钨-镍晶格常数差9.8%（bcc-W: 0.316nm vs fcc-Ni: 0.352nm） | ★★ |
失效特征：应力耦合导致界面分层（图4），表现为：
镀层鼓包（热循环后）
边缘剥离（机械应力集中区）
陶瓷相裸露（图6失效模式）
核心控制策略：
扩散退火380−420∘C/Ar
镍-钨互扩散形成Ni-W固溶体（"铆钉效应"）
晶粒再结晶降低位错密度（图7b晶界重构）
控制保温时间≤30min防止Ni<sub>4</sub>W脆性相生成
钨导体表面状态的关键控制
氧化钇偏析失效机制（图6）
成因：烧结过程Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>相分离（熔点2410°C不参与扩散）
影响：阻断镍-钨冶金结合
形成应力集中点（CTE<sub>Y2O3</sub>:9.3 vs CTE<sub>W</sub>:4.5）
工艺控制窗口
| 参数 | 目标值 | 超标风险 |
|---|---|---|
| Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub>含量 | ≤3.0 wt% | 界面结合强度下降>40% |
| 表面孔隙率 | ≤8% (图2a) | 镀液渗入诱发腐蚀 |
| 玻璃相覆盖率 | ≤15 vol% | 催化活性位点损失 |
3.4 镀镍层热处理的科学调控
热处理三重功能
应力消除：位错滑移与再结晶（图7b晶粒融合）
界面强化：Ni-W互扩散层形成（理想厚度0.5-1.2μm）
结构致密化：孔隙率降低至≤2%
工艺敏感度模型
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