金是 PCB 和 IC 载板的关键成分

　　摘要

　　探究黄金在印制电路板 (PCB) 和集成电路 (IC) 载板表面涂饰的关键作用，详细分析化学镀镍 / 浸金 (ENIG)、化学镀镍 / 化学镀钯 / 浸金 (ENEPIG)、化学镀钯 / 自催化金 (EPAG) 等金电解液的特性、镀覆机理和性能特点。通过对比不同电解液类型在 ENIG 工艺中的镍腐蚀表现，揭示高自催化比例金电解液在抑制镍腐蚀方面的优势，指出金电解液选择需结合应用场景。最后，探讨了未来镀金工艺所面临的挑战。

　　引言

　　长期以来，黄金一直是电子行业的基础材料，尤其在印制电路板 (printed circuit board, PCB) 和集成电路 (Integrated Circuit, IC) 载板的表面处理中扮演着关键角色。黄金不仅提供必要的表面保护，还支持各种组装技术 —— 包括铝、金和铜线的焊接，以及线键合连接工艺。金镀层化学镀镍 / 浸金 (electroless nickel/immersion gold, ENIG)、化学镀镍 / 化学镀钯 / 浸金 (electroless nickel/electroless palladium/immersion gold, ENEPIG)，以及化学镀钯 / 自催化金 (electroless palladium/autocatalytic gold, EPAG) 等是表面处理体系中的关键步骤。这些表面涂饰层因其可焊性和引线键合能力备受青睐，其中，ENEPIG 和 EPAG 提供了更佳的焊点可靠性和金线键合性。

　　本文探讨化学镀金工艺中不同类型电解液的特性、涂覆机理及其性能特点，并结合电子行业面临的高频传输、信号完整性、精细线路加工等挑战展开分析。

　　含金最终涂饰层的作用

　　在电子产品领域，最终涂饰层起着至关重要的作用，其为电子元器件提供保护层，防止可能导致失效的氧化和腐蚀。

　　如果没有涂饰层，电子设备的可靠性和寿命将受到严重影响。最终涂饰层还增强了产品的可焊性，确保了元器件之间牢固稳定的连接，对于设备的整体功能至关重要。总之，最终表面涂饰对于以下几个方面至关重要。

　　(1) 防护性：保护元器件免受环境侵蚀。
(2) 可焊性：确保连接的牢固性与稳定性。
(3) 可靠性：延长电子设备的使用寿命。

　　如何根据应用场景选择表面处理工艺，均有其对应特定应用场景展现出的特有优势。主流工艺及其典型的应用场景见表 1。其中 HASL 为热风整平焊锡，OSP 为有机可焊性保护层，IAg 为浸银，ISn 为浸锡。

　　表 1 直观地揭示了含金最终涂饰层在高端市场应用中备受关注的根本原因，即终端应用兼具多功能性和可靠性。

　　不同金层类型解析

　　为了解 ENIG、ENEPIG 和 EPAG 工艺中使用的金电解液是否完全相同，需深入研究不同类型的金电解液，了解当前存在的电解液类型、属性，以及不同类型金电解液的优缺点。

　　为便于阐述，本文将化学镀金电解液分为浸渍型和混合反应型，如图 1 所示。

图1　化学镀金电解液类型

　　浸渍型电解液 (I 型)：金沉积所需的电子仅由镍的溶解提供；混合反应型电解液的浸渍反应则由一定量自催化反应辅助完成。

　　低自催化混合反应型电解液 (II 型)：反应主要由镍层的溶解驱动，添加剂仅起辅助作用。自催化反应在整个反应中的比例取决于所用添加剂的类型，在此添加剂通常表现出温和的还原性。

　　高自催化混合反应型电解液 (III 型)：采用了具有更强还原性的添加剂。镀金的初始阶段涉及浸渍反应，第一层金晶种沉积后，作为催化表面，启动并激活还原剂，持续提供电子。这种自催化反应理论上是无限持续的，并在 III 型电解液的沉积过程中起主导作用。

　　目前，文献中尚未有统一的术语来区分这些不同的沉积类型。I 型和 II 型通常被称为浸金 (immersion gold, IG)；III 型也可称为自催化金 (autocatalytic gold, AG)。对混合反应金镀液类型，目前行业使用 IG 与 AG 之间的任意名称，这可能是由于其同时包含 2 种反应机制的特性。

　　（a）浸渍型电解液 (I 型)：浸渍（全部）

　　（b）低自催化混合反应型电解液 (II 型)：浸渍（大部分）、自催化反应（小部分）

　　（c）高自催化混合反应型电解液 (III 型)：浸渍（小部分）、自催化反应（大部分）

　　不同类型金电解液的镀层特性

　　每种金电解液的属性和应用场景直接影响表面处理质量与性能。通过研究电解液，可更好地了解其在金属镀层中的优缺点。本节将深入研究各种金电解液及其特性，系统解析其对镀层性能的影响机制。

　　首先，基于 IPC-4552A 标准 (首次量化评估镍腐蚀程度与验收规范，以量化数据取代主观担忧)，聚焦 3 种不同类型金镀液在 ENIG 工艺中的镍腐蚀表现差异。不同反应机制导致 ENIG 镀层中腐蚀形态与发生频率显著不同，如图 2 所示。

　　（a）浸渍型 I 型
（b）混合反应 II 型（低自催化）
（c）混合反应 III 型（高自催化）

图2　3 种电解液沉积的ENIG 镀层通孔入口

　　SEM 图像示例

　　由图 2 可得出以下结论。

(1) 浸渍型电解液 (I 型)：在溶液流速较高的通孔入口处，可观察到尖刺状或扩散状腐蚀形貌。
(2) 低自催化混合反应型电解液 (II 型)：腐蚀缺陷极少，镍层穿透深度通常小于镍层厚度的 40%(基于 IPC-4552A/B 方法的大样本数据验证)。
(3) 高自催化混合反应型电解液 (III 型)：形成无缺陷 ENIG 镀层。

　　结论表明，高自催化比例金电解液 (III 型) 在抑制 ENIG 镍腐蚀方面表现优异。

　　自催化金电解液是否全面优于浸渍型，答案是否定的，需视应用场景而定。与浸渍型电解液相比，自催化金电解液存在一定的局限性。在为表面处理工艺选择合适的电解液时，需综合考虑其优势与局限性。3 种类型电解液的主要涂覆性能见表 2。在表 2 中，I 型、II 型或 III 型均被称为 IG。

表 2 不同化学镀金电解液的镀层性能

　　全浸渍型镀液具有显著优点，尤其是低金含量、较长镀液寿命及易于处理和维护的潜力，使其成为追求效率与成本效益场景的理想选择。相反，具有高自催化部分的镀液在处理和维护方面需更多的努力。然而，高自催化镀液提供了一种无腐蚀的表面处理，且适用性广泛，不仅支持化学镀 ENIG，还可用于化学镀钯 / 金 (Pd/Au) 和镍 / 钯 / 金 (Ni/Pd/Au)，可形成更厚的金层，满足高频与高可靠性应用需求。

　　金是否是万能的

　　Schafsteller 等学者在一篇技术论文中提出此问题。为了对比同一电解液在 PCB 不同位点的性能差异，研究者以镍腐蚀程度作为核心评价指标。基于 IPC-4552A 规范并采用略微严苛的判定标准以增强区分度。每个测试条件下分析 10 个通孔，每个通孔选取 7 个检测点。为清晰对比不同位置与电解液的性能，定义了以下 4 种腐蚀程度。

(1) 0 级：未检测到腐蚀缺陷。
(2) 1 级：少于 10 处缺陷，且所有腐蚀深度≤20% 镍层厚度；或单次腐蚀深度 < 40% 镍层厚度。
(3) 2 级：其他不符合 0/1/3 级的腐蚀情况。
(4) 3 级：大于 10 处缺陷，且 5 处腐蚀深度 > 40% 镍层厚度；或表面腐蚀面积占比 > 30%。

　　该方法不仅可对单个镀通孔 (plated-through hole, PTH) 的腐蚀分类，还能实现不同 PTH 间的横向对比。为进一步对比不同工艺条件下的多组板面性能，研究者引入了 2 级评级体系。该体系通过统计每种条件下所有被测 PTH 的腐蚀数据，对各腐蚀等级的发生率进行计算与统计，确定以下板面腐蚀评级标准。
(1) 0 级：无腐蚀缺陷。
(2) 1 级：60% 以上的检测位置为 0 级或 1 级腐蚀程度。
(3) 2 级：其他不符合 0/1/3 级的腐蚀分布情况。
(4) 3 级：40% 以上的位置显示为 3 级腐蚀程度。

　　该腐蚀评级体系特别关注特定腐蚀类型的危害等级，例如表面腐蚀 (对终端组装成品质量构成最高风险隐患)。

　　为客观地对比不同电镀供应商的工艺水平，研究团队将相同设计的测试样板分发给欧洲、美国和中国的 PCB 制造商，并开展平行测试。这些厂商所使用的电解液涵盖 I 型～III 型，测试概况如表 3 和图 3 所示。

表 3 测试 ID 和地点概况

图 3 腐蚀测试结果

　　图 3 (a) 对比各电镀厂商检测到的腐蚀等级分布差异，图 3 (b) 则汇总了基于各检测点腐蚀等级占比的综合评级结果。

　　通过对美国、欧洲和亚洲多家 PCB 工厂的 ENIG 腐蚀性能评估发现，不同工厂的测试结果存在显著差异，且影响因素远不止于电解液类型。这项综合研究通过腐蚀程度和评级的趋势分析，揭示以下关键点。

(1) I 型金镀液显现出高比例的 1 级和 2 级腐蚀程度。尽管存在 ENIG 腐蚀缺陷，但数量和深度有限，表明在指定范围内的受控腐蚀不会对焊接连接产生负面影响。

(2) 使用相同 II 型金电解液的 PCB 工厂，其测试结果存在显著差异。这种变化表明了来料铜质量、工艺控制、阻焊膜、基材质量等因素对 ENIG 腐蚀性能同样至关重要。尽管存在这些变化，但整体趋势显示，与 I 型金电解液相比，II 型可显著降低 ENIG 腐蚀的发生率。

(3) III 型金电解液表现出最佳性能，研究区域内没有检测到腐蚀。这一发现表明，最新一代的金电解液含有更高的自催化部分，可以有效地消除腐蚀问题。

　　研究同时证实，金电解液仅是影响 ENIG 腐蚀的众多因素之一，相同工艺在不同工厂的实施效果可能存在差异。这为开篇提出的问题提供了明确答案。

　　未来对金的挑战

　　随着电子行业技术的演变和发展，PCB 和 IC 基板的制造工艺面临重大挑战，尤其是成熟的涂覆金工艺 (如 ENIG 和 ENEPIG)，在未来十年内将遇到多重技术壁垒。

　　主要挑战之一是先进小型化的趋势。随着电子设备外形变得越来越小、功能越来越强大，ENIG 和 ENEPIG 镀层所需的精度将会大幅提升。确保微尺度下镀层的均匀性和可靠性，需推动沉积技术革新。对于极细线宽结构，省去镍层可能成为可行技术方向。

　　预测环保法规也将变得更加严格，对工艺中化学品 (如含镍、氰化物体系) 的限制将更加严格，需开发更环保的替代方案 (例如无铅镍槽、无氰金液)，以确保制造流程符合可持续标准。

　　成本管理将是另一个关键问题。金、镍、钯等原材料价格上涨，迫使厂商在保证质量的同时控制成本。这可能涉及沉积工艺优化或替代材料探索。目前，人们一直在努力减少 ENEPIG 层中钯、金等贵金属的使用 [4]。ENEPIG 的镍 / 钯 / 金 3 层结构需提升工艺一致性并减少缺陷。通过集成化电镀线 (兼容 ENIG、ENEPIG、EPAG 等多工艺)，可降低车间复杂度，提升可制造性。

　　应力下的可靠性和增强的信号完整性也是关键因素。随着电子设备在更苛刻环境的应用，ENIG 和 ENEPIG 镀层在热应力和机械应力下的稳定性将至关重要。提升耐久性是确保长期性能的核心。此外，随着对更快数据传输的需求不断增长，以及需要保持高速电子设备中信号的完整性，PCB 中的高频应用日益重要，行业正在努力适应这一要求 [5]。

　　总之，新技术与新材料的涌现要求同步革新相应的工艺，而镀金工艺需兼容新型焊接技术、高频基板等先进基材。未来电子设备对其元件提出更高的性能要求，如优异的电气性能、耐腐蚀性和耐用性，通过持续研究和开发应对这些未来挑战，是推进技术并确保镀金工艺满足电子行业动态需求的关键。

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