以丙尔金为主盐的高纯度可焊性镀金工艺

张荣光，周大龙

（1.成都宏明双新科技股份有限公司，四川 成都 610091；2.成都华诚微电子有限公司，四川 成都 610041）

【电镀】

以丙尔金为主盐的高纯度可焊性镀金工艺

张荣光1,*，周大龙2

（1.成都宏明双新科技股份有限公司，四川 成都 610091；2.成都华诚微电子有限公司，四川 成都 610041）

以清洁环保的丙尔金[即一水合柠檬酸一钾二(丙二腈合金(I))]代替有毒氰化亚金钾为主盐，用市售的可焊性镀金工艺配方及规范，生产高纯度(99.99%)的金镀层。所得镀金层呈浅柠檬黄色、无色斑，比亚硫酸盐纯金层更均匀、致密，金线键合强度经高低温循环试验后稳定，与载体焊接牢固、无空穴，满足美国军标MIL-STD-883H–2010中方法2011.8──键合强度测试规范的性能要求。镀金液性能与亚硫酸盐纯金镀液相近。镀金液使用3年多后，不论是在加热状态或是长期放置都很稳定。

微波集成图形；镀金；丙尔金；金线键合强度；共晶焊接

1 前言

随着现代电子工业和航天高科技尖端产品的研发，镀金广泛应用于连接器端子、印制板、半导体、微波电子等零部件[1]。微波陶瓷集成图形最小为15 μm线宽的高精密线路，要求极低的接触电阻(＜0.3 mΩ)，耐400 °C高温，以及可靠的金线键合强度和共晶焊接强度，大多通过镀导电性良好和表面平整的4 μm以上纯金镀层来满足以上要求。

3年多的生产实践表明，丙尔金[2][一水合柠檬酸一钾二(丙二腈合金(I))，KAu2N4C12H11O8]镀高纯可焊性金工艺所得纯金镀层外观为浅柠檬黄色、无色斑，比亚硫酸盐纯金层更均匀、致密，金线键合强度经高低温循环试验后稳定，与载体焊接牢固、无空穴，满足美国军标MIL-STD-883H–2010中方法2011.8──键合强度(破坏性键合拉力试验)的要求。

2 丙尔金电镀高纯度可焊性金的工艺

2. 1 工艺流程

陶瓷基片(附0.1 μm真空镀金层)─清洗─布胶─光刻─显影─选择电镀(集成图形线路镀金)─去胶─蚀刻─检验。

2. 2 配方与工艺

镀金液配方由深圳思美昌科技有限公司提供，以铂金钛网为阳极，阳极和阴极的面积之比为4∶1，通过阴极移动施镀，用连续过滤的方式搅拌镀液，沉积速率为110 ～ 120 mg/(A·min)，在0.4 A/dm2下镀取1 μm厚的金镀层需4 ～ 5 min。

2. 3 镀金液的配制

(1) 充分冼净镀金槽体，加入1/4所需体积的去离子水或蒸镏水；

(2) 将去离子水或蒸镏水加热至65 °C，边搅拌边加入镀金SM402开缸剂，3 L镀金开缸剂可配制5 L镀金液；

(3) 在强烈搅拌下，缓慢加入预先溶解在热纯水中的金质量浓度为100 g/L的丙尔金[w(金)= 51%]浓缩液；

(4) 补充纯水至所需体积；

(5) 检查调整pH、波美度、温度等工艺条件。

2. 4 生产前镀金液的性能验证

常用简单的赫尔槽[3]试片验证生产用镀金液的性能。赫尔槽的体积为267 mL，镀金液的体积为260 mL，试片为镀镍的铜合金(不能直接用铜合金)或镍合金，阴极尺寸为100 mm × 70 mm × 0.1 mm。

工艺条件：波美度13 ～ 14 °Bé，pH = 6.5 ～ 7.0，60 ～ 65 °C，0.5 A/min，中速搅拌。

赫尔槽阴极试片的外观照片如图1所示。

图1 赫尔槽试片的外观Figure 1 Appearance of Hell cell test coupon

在试片的高端处金层粗糙度小于15 mm，其余部位为淡柠檬黄色；可用电流密度为0.05 ～ 3.00 A/dm2，与亚硫酸盐纯金层试片一致；除高处金层粗糙外，纯金层的结晶态比亚硫酸盐纯金层更细致、均匀，颜色比亚硫酸盐纯金层略淡。

2. 5 镀金液的深镀能力试验

将2 L的镀金液倒入2 000 mL的烧杯中，薄壁铜管(φ 10 mm × 100 mm)垂直悬挂于镀金液中并平行于两阴极间，在0.4 A/dm2、中速搅拌下施镀10 min，镀液配方同赫尔槽试验。镀后剖开铜管发现，管内腔表面镀满色泽均匀的金层，说明镀液的深镀能力优良。

2. 6 镀金液的维护调整

(1) 定期化学分析测定金的消耗量或根据安培分钟计的电量消耗数据[金的沉积速率为0.12 g/(A·min)]，补充100 g/L的丙尔金[w(金)= 51%]浓缩液，以保持镀液中金含量为6 ～ 12 g/L。原则上应控制金含量在其工艺限制值的±10%范围内[4]，金含量较低时，边缘易烧焦，施镀电流密度较小，沉积速率慢；相反，金含量较高时，结晶粗糙，分散能力差，厚度差异大。

(2) 每补充1 g金需加入1.96 g丙尔金，同时要添加1 mL的SM402补充剂R，即一个单位(100 mL)的SM402液体补充剂R，其所含组分足以与100 g金配合使用。

(3) 镀金液在补充金含量前后或停用一周以上时，应做赫尔槽试验，根据试片外观的柠檬黄色，金层结晶均匀性，高(近阴极)、低端(远阴极)电流密度区的镀金层烧焦，漏镀范围等，调整添加SM402补充剂R、开缸剂及导电盐。

(4) 生产过程中，镀金液的pH会逐渐升高，应每隔4 h测定镀金液的pH。镀金液的pH高时，电流效率高，镀金层沉积快，镀金液的分散能力高；镀金液pH低时，电流效率低，金层沉积率低，镀金层外观较亮。pH偏高或偏低时，可用1.70 g/L的浓磷酸溶液或质量分数为20%的氢氧化钾溶液调至工艺范围内。

(5) 连续量产时，需要每天测量镀金液的波美度，并用导电盐C-5调高波美度。

(6) 微波陶瓷集成微细图形镀高纯度可焊性金层，对镀金液清洁和操作环境的要求比一般电镀高，应在无尘抽风罩内作业。连续量产时，需采用循环泵过滤机连续过滤镀金溶液，循环速率为每小时 10 ～14次槽液体积量。其滤芯精度小于1 μm，并定期清洗(1 ～ 3次/周)，滤芯套上过滤布袋以提高过滤精度和便于清洗，延长滤芯寿命。

(7) 长期停用时，应将镀金溶液定期(2次/周)加热至工艺温度值并连续过滤。

2. 7 镀金溶液的稳定性和可调性

经 3年多的生产实践，不论是连续生产用还是放置都未发现镀金液混浊。加热至80 °C时，也未发现镀金液混浊或分解而析出金粉，比亚硫酸盐纯金液稳定。

随着电镀金含量的消耗，添加丙尔金和pH调整剂后，镀金生产带出液少时，镀金液的波美度会逐渐上升，低于20 °Bé时，镀金层质量不受影响；但波美度高于20 °Bé时，镀液性能可能受影响。可将镀金溶液自然冷却至4 °C以下，使其中的磷酸盐、柠檬酸盐等析出后过滤溶液，以降低其波美度。经测试发现，镀金液的金含量不会因溶液中导电盐结晶而带出损失。经赫尔槽试验重新添加SM402开缸剂或补充剂R等，可使镀金液恢复正常。

3 高纯度可焊性镀金层的性能

3. 1 外观

不同体系镀金液中所得产品的金相形貌如图 2所示。丙尔金镀纯金层为淡柠檬黄色，均匀、细致、致密、无瘤子或色斑。亚硫酸盐镀金产品的金层为金黄色，结晶粗、有较多瘤子。

图2 不同体系溶液镀金产品的金相照片(×200)Figure 2 Metallographs of gold-plated products prepared from different solutions (×200)

3. 2 厚度

用重量法和显微切片法[5]测得金层厚度为4 μm。

3. 3 耐高温性

将丙尔金镀金产品置于恒温烘箱内，于420 °C下烘烤30 min后，观察其形貌(图3)发现，镀金产品无起泡和变色现象。

图3 高温热处理前后镀金产品的金相照片(×200)Figure 3 Metallographs of gold-plated products before and after high temperature heat treatment (×200)

3. 4 结合强度

微波陶瓷镀金电路状态为：最小导线宽度15 μm，最大导线宽度1 mm。

测试方法：用 3M胶粘膜粘贴电路，机械方法分离。

测试结果：×60的显微镜目测表明，镀金层完好、无脱落，且电路无塑性变形。

3. 5 金线键合强度

用美国奥泰公司的WEST BOND 747677E锲键合机使金线键合。金线线径为0.7 mil(约17.78 μm)，分别在金线键合后和高低温循环后，测试金线键合强度，测试30点拉力，结果见表1，金线键合强度满足美国军用标准MIL-STD-883H–2010中方法2011.8的规范要求。

表1 金线键合力Figure 1 Bonding strength of gold wire

3. 6 共晶焊接

使用金锡和金锗焊料进行共晶焊接，镀金面具有良好的浸润性，与载体焊接牢固、无空穴。

4 结论

(1) 清洁环保的丙尔金盐替代氰化亚金钾的镀金工艺需与成熟的市售镀金开缸剂及其补充剂等配套使用。

(2) 丙尔金盐与有毒氰化亚金钾工艺的镀金液和镀金层的性能均基本一致，并能与原有毒氰化亚金钾工艺的镀金液兼容，不必重新开缸，从而降低了新开缸镀金液的成本。

(3) 3年多的连续生产使用表明，丙尔金镀金液稳定，无混浊、变色现象，也无金粉沉淀。但丙尔金镀金工艺用于工业生产的时间有限，还有待于不断地摸索总结，但镀金层质量很稳定，从未有客户投诉退货事件。

(4) 丙尔金镀金工艺清洁环保，减少了氰化物对环境的污染，危险性低、使用安全，便于安全管理。

[1] 沈涪. 接插件电镀[M]. 北京: 国防工业出版社, 2007.

[2] 三门峡恒生科技研发有限公司. 清洁镀金──柠檬酸金钾鉴定材料[R].郑州: 河南省科学技术委员会, 2009.

[3] 曾华梁, 吴仲达, 陈钧武, 等. 电镀工艺手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 1989.

[4] 吴水清. 镀金层质量的强化方法[J]. 电镀与精饰, 1992, 14 (3): 27-31.

[5] 张允诚, 胡如南, 向荣. 电镀手册[M]. 3版. 北京: 国防工业出版社, 2007.

Process for electroplating of highly pure and weldable gold coating using K{Au(I)[CH2(CN)2]}2(C6H5O7)·H2O as main salt //

ZHANG Rong-guang*, ZHOU Da-long

A highly pure (99.99%) gold coating was prepared by using environmentally friendly bis(malononitrile) gold(I) potassium citrate monohydrate as main salt in replace of toxic gold potassium cyanide based on the bath composition and operation parameters of a commercial weldable gold plating process. The obtained gold coating is pale lemon yellow and stain-free, and more uniform and compact than the pure gold coating prepared from a sulfite bath. The bonding strength of gold wire is stable after cyclic treatment between high and low temperatures, and is welded firmly without any seam to the carrier, meeting the requirement of U.S. military standard MIL-STD-883H–2010 Method 2011.8—Testing Specification of Bonding Strength. The properties of gold plating bath are similar to those of sulfite gold plating bath. The bath is stable whether it is heated or placed for long after using for more than 3 years.

bis(malononitrile)gold(I) potassium citrate monohydrate; microwave integrated circuit; gold plating; gold wire bonding strength; eutectic welding

Chengdu Homin Technology Co., Ltd., Chengdu 610091, China

TG153.18

A

1004 – 227X (2012) 03 – 0001 – 03

2011–07–25

2011–10–20

张荣光（1937–），男，四川合江人，本科，高级工程师，主要从事电镀工艺技术的研究。

作者联系方式：(E-mail) zrg@hm-sx.com。

[ 编辑：周新莉 ]