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ENIG表面处理PCB焊垫的两大潜在问题(黑镍与富磷层)及预防措施

time : 2019-07-22 09:02       作者:凡亿pcb

随着智慧型手机的普及,电子产品的小型化趋势以及欧盟对无铅制程的要求,同时也由于化镍浸金(ENIG)表面处理工艺相较于其他表面处理工艺来得简单与较低廉的成本,另外还有其优良的可重复焊接性、良好的平整度适合细脚零件、可长期储存不易氧化等优点,所以有越来越多的电子产品选择以ENIG作为其PCB的表面处理。但是在我们日常的SMT焊接作业中,也经常发现这种ENIG表面处理的板子容易出现镍腐蚀以及富磷层这两大致命问题,这类问题一旦发生,经常会造成大量批次性的焊点可靠性问题。因为这两类问题都非常隐蔽,一般再生产的当下不易被察觉,一旦发现时大多为时已晚,伤害及损失已经造成,也可能无法弥补。所以,很多人在使用ENIG(化镍浸金)表面处理的板子打件发现到有零件掉落或是焊性不良时,最先想到的问题通常是「黑镍」又称「黑垫」,可是又好像没有几个人真正了解何谓「黑镍」或「黑垫」,所以本文试着用工作熊了解的角度来跟大家探讨一下ENIG的「黑镍」或「黑垫」。ENIG的「黑镍」主要成份基本上有二:「富磷」及「氧化镍」。「磷」来自化学镍镀层,在后续的「金」与化学镍置换的过程中,因为「磷」不起反应,所以会停留在金层与镍层之间,形成富磷(P-rich)层,最后在焊接强度上形成脆化的结果。「氧化镍」基本上为复杂的NixOy化学式组成(x及y为数字),其根本原因为化镍表面在进行浸金置换反应时,其镍面受到过度的氧化反应(金属镍游离成为镍离子即为广义的「氧化」),再加以体积甚大的「金」原子(金原子半径144pm)不规则的沉积以致形成粗糙且疏松多孔的晶粒排列,也就是说「金」层未能完全覆盖住底「镍」层,让镍层有机会暴露于空气中继续氧化作用,于是在「金」层的下面逐渐地形成镍锈,最终造成焊接的阻碍。因为大部分的焊锡,如SAC305, SAC3005, SnBi, SnBiAg等成份基本还是以锡(Sn)当基础,当电路板经过回焊炉加热时,Sn会与ENIG的镍(Ni)会形成Ni3Sn4的IMC(共化物),如果镍层氧化了,就会难以生成理想的IMC,就算可以勉强生成,其IMC也是断断续续不均匀,这样就会造成焊接强度降低,就像一片涂抹了水泥的砖墙,砖墙与砖墙间的水泥就犹如IMC,如果有些地方没有涂到水泥,墙面的强度就会变得脆弱是一样的道理。其实电路板的表面处理还有「化镍浸钯金((ENEPIG)」,而且这种表面处理可以有效抑制「黑镍/黑垫」生成的问题,但是因为其费用比较昂贵,所以目前还只有高阶板、CSP或是BGA业者采用。ENIG焊盘的两大潜在问题及其预防ENIG的基本工艺ENIG表面处理电路板最大的优势之一就是电路板生产制造工艺简单,原则上只需使用两种化学药水(化学镀镍与酸性金水)就可以完成,当然还需要其他的药水辅助。ENIG表面处理工艺一般是先在铜焊盘制作化学镍沉积,通过控制时间及温度来控制镍层的厚度;再利用刚沉积完成的新鲜镍活性,将镍的焊盘浸入酸性的金水中,通过化学置换反应将金从溶液中置换到焊盘表面,而部分表面的镍则溶入金水中。置换上来的「金」会逐渐将镍层覆盖,直到镍层全部覆盖后该置换反应将自动停止,清洗焊盘表面的污物后工艺即可完成。这时的镀金层往往大约只有0.05um(2u")的厚度或更薄,所以说ENIG的工艺非常容易控制且成本相对较低(与电镀镍金相比) 。显然表面这层薄薄的金层只能起到对镍层的氧化保护作用,一旦金层不足以保护镍层,导致镍与空气接触腐蚀氧化或被金水过渡浸蚀,即会形成所谓的「黑镍」或「黑垫」现象,而此时焊盘的表面用肉眼看来还是金光闪闪的金子,一般用目视是很难判断是否有问题。因此,组装工艺前加强对ENIG表面处理的PCB的品质检查是非常必要的。延伸阅读:电路板生产线制程简介(PCB Production Process)黑镍的形成与危害镍层的品质主要取决于镍镀液的配方以及化学沉积时温度的控制,当然还会跟酸性金水处理的工艺有一定关系。该化学镀镍的工艺是通过在焊盘表面次磷酸盐与镍盐的自催化反应得到镀层,镀层中会含一定的「磷(P)」,许多研究显示,镀层中磷(P)的正常比例应该在7%~10%之间,如果镀液的配方得不到即时的维护或温度失去控制,磷的含量就会偏离这个正常的范围,当磷含量偏低的时候,镀层将非常容易受到腐蚀,这种腐蚀首先来自酸性的金水浸蚀;当磷的含量偏高时,所形成的镀层硬度将明显增加,导致其可焊性下降,也会严重影响可靠焊点的形成。如果镍镀层中磷含量偏低,而化学置换反应镀金时又没有处理好,如果得到了大量有裂纹的金镀层,酸性金水在后续的清洗工序中也必然不容易去除,将导致在空气中暴露的镍镀层腐蚀加速,最终形成黑镍,即所谓的黑焊垫产生。典型的黑焊盘照片见图1,黑焊盘的横截面见图2,从横截面的照片上可以看到有典型的纵向裂纹,是为黑镍的典型特徵。当黑镍生成后,ENIG的表面的金镀层还不会有明显的变色,容易给人焊垫表面处理仍然良好的假象。当这种焊垫进行高温焊接时,作为可焊性保护层的金会迅速溶解到锡膏中去,而已经被腐蚀氧化的镍则无法与熔融的锡形成共化物(IMC),导致焊点可靠性严重下降,只要稍微受外力影响即发生开裂。这种黑镍造成的典??型焊点开裂状况详见图3。富磷层的形成与危害ENIG表面处理的焊垫,在焊接的工艺中,真正与锡膏形成合金的是ENIG中的「镍」,其典型的金属间化物(IMC)合金是Ni3Sn4,而镍镀层中的磷是不参与金属化的,但是在镍层中,磷佔有一定比例并且均匀分佈,这样一来,在镍参与合金化后局部多馀的磷将会富集下来,集中在合金层的边缘形成富磷层,如果富磷层太厚,其强度将大打折扣,当焊点受到外来的应力衝击时,必定从最脆弱的环节先行破坏,而富磷层就有可能是首先破坏的薄弱环节,这时焊点的可靠性必然明显的受到影响。特别是在高热的无铅工艺过程中,如果工艺控制不良,金属间化物常常较厚,导致富馀的磷更多,富磷层就越发明显,焊点的可靠性就面临危险。典型的富磷层见图4中的金属间化物与镍镀层之间的黑色地带,该黑色带状区域可以用能谱分析仪(EDS)分析证实其含有极高含量的磷。大量的失效案例证明,富磷层的存在是焊点开裂失效的一个主要的原因。黑镍与富磷层的预防与控制虽然黑镍的形成以及富磷层的出现有很强的隐蔽性,一般手段可能难以发觉与预防。但是当我们清楚其产生的原因之后,就可以找到有效的预防及控制的方法。对于黑镍的形成,制造阶段主要是要做好镀液的维护以及工艺温度的控制,使镀层中的镍磷比例处于最佳状态。酸性的金水也需要有很好的维护,其腐蚀性过强时应该及时调整。对于用户而言,1、最好的手段是使用扫描电子显微镜(SEM)对焊垫的表面处理作微观的表面观察,主要检查镀金层是否存在裂纹,并用EDS分析镍镀层中磷的比例是否在正常范围内;2、其次,可以选择典型的焊垫用手工焊接并测量其焊点的推拉强度,当发现推拉强度异常小的话就有可能存在黑镍;3、最后的一种方法就是对ENIG样品进行酸性气体腐蚀试验,如果发现其表面长出粉末或变色,说明焊盘上的金镀层有龟裂,也就说明黑镍存在的可能性。这些方法中,最方便快捷的应该是第二种方法,简单易行。有了这些手段,就能在ENIG电路板使用前及早发现问题,避免造成大量有可靠性问题的电路板组件的产生,从而将损失控制在最低限度。而对于富磷层的产生,当镍镀层中的磷镍比例适当的时候,主要是控制焊接工艺,控制焊接的时间以及焊接的温度,将金属间化物的厚度控制在最佳的1~2微米(um)左右,太厚的金属间化物(IMC)产生的同时,必然也富集了过厚的富磷层。