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ENIG表面處理PCB焊墊的兩大潛在問題(黑鎳與富磷層)及預(yù)防措施

發(fā)布時間 :2016-09-13 10:14 閱讀 : 來源 :技術(shù)文章責(zé)任編輯 :深圳宏力捷PCB制板部
隨著智慧型手機的普及,電子產(chǎn)品的小型化趨勢以及歐盟對無鉛制程的要求,同時也由于化鎳浸金(ENIG)表面處理工藝相較于其他表面處理工藝來得簡單與較低廉的成本,另外還有其優(yōu)良的可重復(fù)焊接性、良好的平整度適合細腳零件、可長期儲存不易氧化等優(yōu)點,所以有越來越多的電子產(chǎn)品選擇以ENIG作為其PCB的表面處理。
但是在我們?nèi)粘5腟MT焊接作業(yè)中,也經(jīng)常發(fā)現(xiàn)這種ENIG表面處理的板子容易出現(xiàn)鎳腐蝕以及富磷層這兩大致命問題,這類問題一旦發(fā)生,經(jīng)常會造成大量批次性的焊點可靠性問題。因為這兩類問題都非常隱蔽,一般再生產(chǎn)的當(dāng)下不易被察覺,一旦發(fā)現(xiàn)時大多為時已晚,傷害及損失已經(jīng)造成,也可能無法彌補。
所以,很多人在使用ENIG(化鎳浸金)表面處理的板子打件發(fā)現(xiàn)到有零件掉落或是焊性不良時,最先想到的問題通常是「黑鎳」又稱「黑墊」,可是又好像沒有幾個人真正了解何謂「黑鎳」或「黑墊」,所以本文試著用工作熊了解的角度來跟大家探討一下ENIG的「黑鎳」或「黑墊」。
 
ENIG的「黑鎳」主要成份基本上有二:「富磷」及「氧化鎳」
「磷」來自化學(xué)鎳鍍層,在后續(xù)的「金」與化學(xué)鎳置換的過程中,因為「磷」不起反應(yīng),所以會停留在金層與鎳層之間,形成富磷(P-rich)層,最后在焊接強度上形成脆化的結(jié)果。
「氧化鎳」基本上為復(fù)雜的NixOy化學(xué)式組成(x及y為數(shù)字),其根本原因為化鎳表面在進行浸金置換反應(yīng)時,其鎳面受到過度的氧化反應(yīng)(金屬鎳游離成為鎳離子即為廣義的「氧化」),再加以體積甚大的「金」原子(金原子半徑144pm)不規(guī)則的沉積以致形成粗糙且疏松多孔的晶粒排列,也就是說「金」層未能完全覆蓋住底「鎳」層,讓鎳層有機會暴露于空氣中繼續(xù)氧化作用,于是在「金」層的下面逐漸地形成鎳銹,最終造成焊接的阻礙。
因為大部分的焊錫,如SAC305,  SAC3005, SnBi, SnBiAg等成份基本還是以錫(Sn)當(dāng)基礎(chǔ),當(dāng)電路板經(jīng)過回焊爐加熱時,Sn會與ENIG的鎳(Ni)會形成Ni3Sn4的IMC(共化物),如果鎳層氧化了,就會難以生成理想的IMC,就算可以勉強生成,其IMC也是斷斷續(xù)續(xù)不均勻,這樣就會造成焊接強度降低,就像一片涂抹了水泥的磚墻,磚墻與磚墻間的水泥就猶如IMC,如果有些地方?jīng)]有涂到水泥,墻面的強度就會變得脆弱是一樣的道理。
其實電路板的表面處理還有「化鎳浸鈀金((ENEPIG)」,而且這種表面處理可以有效抑制「黑鎳/黑墊」生成的問題,但是因為其費用比較昂貴,所以目前還只有高階板、CSP或是BGA業(yè)者采用。
 
ENIG焊盤的兩大潛在問題及其預(yù)防
ENIG的基本工藝
ENIG表面處理電路板最大的優(yōu)勢之一就是電路板生產(chǎn)制造工藝簡單,原則上只需使用兩種化學(xué)藥水(化學(xué)鍍鎳與酸性金水)就可以完成,當(dāng)然還需要其他的藥水輔助。ENIG表面處理工藝一般是先在銅焊盤制作化學(xué)鎳沉積,通過控制時間及溫度來控制鎳層的厚度;再利用剛沉積完成的新鮮鎳活性,將鎳的焊盤浸入酸性的金水中,通過化學(xué)置換反應(yīng)將金從溶液中置換到焊盤表面,而部分表面的鎳則溶入金水中。置換上來的「金」會逐漸將鎳層覆蓋,直到鎳層全部覆蓋后該置換反應(yīng)將自動停止,清洗焊盤表面的污物后工藝即可完成。這時的鍍金層往往大約只有0.05um(2u")的厚度或更薄,所以說ENIG的工藝非常容易控制且成本相對較低(與電鍍鎳金相比) 。
顯然表面這層薄薄的金層只能起到對鎳層的氧化保護作用,一旦金層不足以保護鎳層,導(dǎo)致鎳與空氣接觸腐蝕氧化或被金水過渡浸蝕,即會形成所謂的「黑鎳」或「黑墊」現(xiàn)象,而此時焊盤的表面用肉眼看來還是金光閃閃的金子,一般用目視是很難判斷是否有問題。因此,組裝工藝前加強對ENIG表面處理的PCB的品質(zhì)檢查是非常必要的。
延伸閱讀:電路板生產(chǎn)線制程簡介(PCB Production Process)
 
黑鎳的形成與危害
鎳層的品質(zhì)主要取決于鎳鍍液的配方以及化學(xué)沉積時溫度的控制,當(dāng)然還會跟酸性金水處理的工藝有一定關(guān)系。該化學(xué)鍍鎳的工藝是通過在焊盤表面次磷酸鹽與鎳鹽的自催化反應(yīng)得到鍍層,鍍層中會含一定的「磷(P)」,許多研究顯示,鍍層中磷(P)的正常比例應(yīng)該在7%~10%之間,如果鍍液的配方得不到即時的維護或溫度失去控制,磷的含量就會偏離這個正常的范圍,當(dāng)磷含量偏低的時候,鍍層將非常容易受到腐蝕,這種腐蝕首先來自酸性的金水浸蝕;當(dāng)磷的含量偏高時,所形成的鍍層硬度將明顯增加,導(dǎo)致其可焊性下降,也會嚴(yán)重影響可靠焊點的形成。如果鎳鍍層中磷含量偏低,而化學(xué)置換反應(yīng)鍍金時又沒有處理好,如果得到了大量有裂紋的金鍍層,酸性金水在后續(xù)的清洗工序中也必然不容易去除,將導(dǎo)致在空氣中暴露的鎳鍍層腐蝕加速,最終形成黑鎳,即所謂的黑焊墊產(chǎn)生。
典型的黑焊盤照片見圖1,黑焊盤的橫截面見圖2,從橫截面的照片上可以看到有典型的縱向裂紋,是為黑鎳的典型特徵。
從橫截面的照片上可以看到有典型的縱向裂紋,是為黑鎳的典型特徵-深圳宏力捷
當(dāng)黑鎳生成后,ENIG的表面的金鍍層還不會有明顯的變色,容易給人焊墊表面處理仍然良好的假象。當(dāng)這種焊墊進行高溫焊接時,作為可焊性保護層的金會迅速溶解到錫膏中去,而已經(jīng)被腐蝕氧化的鎳則無法與熔融的錫形成共化物(IMC),導(dǎo)致焊點可靠性嚴(yán)重下降,只要稍微受外力影響即發(fā)生開裂。這種黑鎳造成的典??型焊點開裂狀況詳見圖3。
當(dāng)這種焊墊進行高溫焊接時,作為可焊性保護層的金會迅速溶解到錫膏中去,而已經(jīng)被腐蝕氧化的鎳則無法與熔融的錫形成共化物(IMC),導(dǎo)致焊點可靠性嚴(yán)重下降,只要稍微受外力影響即發(fā)生開裂-深圳宏力捷
 
富磷層的形成與危害
ENIG表面處理的焊墊,在焊接的工藝中,真正與錫膏形成合金的是ENIG中的「鎳」,其典型的金屬間化物(IMC)合金是Ni3Sn4,而鎳鍍層中的磷是不參與金屬化的,但是在鎳層中,磷佔有一定比例并且均勻分佈,這樣一來,在鎳參與合金化后局部多馀的磷將會富集下來,集中在合金層的邊緣形成富磷層,如果富磷層太厚,其強度將大打折扣,當(dāng)焊點受到外來的應(yīng)力衝擊時,必定從最脆弱的環(huán)節(jié)先行破壞,而富磷層就有可能是首先破壞的薄弱環(huán)節(jié),這時焊點的可靠性必然明顯的受到影響。
特別是在高熱的無鉛工藝過程中,如果工藝控制不良,金屬間化物常常較厚,導(dǎo)致富馀的磷更多,富磷層就越發(fā)明顯,焊點的可靠性就面臨危險。典型的富磷層見圖4中的金屬間化物與鎳鍍層之間的黑色地帶,該黑色帶狀區(qū)域可以用能譜分析儀(EDS)分析證實其含有極高含量的磷。大量的失效案例證明,富磷層的存在是焊點開裂失效的一個主要的原因。
富磷層的存在是焊點開裂失效的一個主要的原因-深圳 宏力捷
 
黑鎳與富磷層的預(yù)防與控制
雖然黑鎳的形成以及富磷層的出現(xiàn)有很強的隱蔽性,一般手段可能難以發(fā)覺與預(yù)防。但是當(dāng)我們清楚其產(chǎn)生的原因之后,就可以找到有效的預(yù)防及控制的方法。
對于黑鎳的形成,制造階段主要是要做好鍍液的維護以及工藝溫度的控制,使鍍層中的鎳磷比例處于最佳狀態(tài)。酸性的金水也需要有很好的維護,其腐蝕性過強時應(yīng)該及時調(diào)整。
對于用戶而言,
1、最好的手段是使用掃描電子顯微鏡(SEM)對焊墊的表面處理作微觀的表面觀察,主要檢查鍍金層是否存在裂紋,并用EDS分析鎳鍍層中磷的比例是否在正常范圍內(nèi);
2、其次,可以選擇典型的焊墊用手工焊接并測量其焊點的推拉強度,當(dāng)發(fā)現(xiàn)推拉強度異常小的話就有可能存在黑鎳;
3、最后的一種方法就是對ENIG樣品進行酸性氣體腐蝕試驗,如果發(fā)現(xiàn)其表面長出粉末或變色,說明焊盤上的金鍍層有龜裂,也就說明黑鎳存在的可能性。
 
這些方法中,最方便快捷的應(yīng)該是第二種方法,簡單易行。有了這些手段,就能在ENIG電路板使用前及早發(fā)現(xiàn)問題,避免造成大量有可靠性問題的電路板組件的產(chǎn)生,從而將損失控制在最低限度。
而對于富磷層的產(chǎn)生,當(dāng)鎳鍍層中的磷鎳比例適當(dāng)?shù)臅r候,主要是控制焊接工藝,控制焊接的時間以及焊接的溫度,將金屬間化物的厚度控制在最佳的1~2微米(um)左右,太厚的金屬間化物(IMC)產(chǎn)生的同時,必然也富集了過厚的富磷層。


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