電路板中何謂硬金、軟金、電鍍金、化金、閃金?

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工作熊必須先聲明,本文僅就個人的經驗與認知發言,由於本人並未真正在電路板製造行業內待過,關於電路板上的硬金、軟金、及閃金等瞭解,只是基於多年來與相關電路板業者打交道並詢問電路板廠商所得出來的結論,以下僅是個人的意見與經驗,如有錯誤歡迎留言指正。

有很多在後段系統組裝廠工作的朋友,對於電路板上的「硬金」及「軟金」、「閃金」一直搞不很清楚也分不清楚,有些人還一直認為電鍍金就一定是硬金?而化學金就一定是軟金?其實這樣的分法只能說答對了一半。

下面工作熊試著用大家較能理解的方式說明一下硬金、軟金、閃金的差異及其特性。







其實在工業界「硬金」及「軟金」的差異就指「合金」與「純金」,因為「純金」實際上比較軟,摻雜了其他金屬的「合金」較硬且耐摩擦,所以越純的金相對的也就越軟。

電鍍鎳金

其實「電鍍金」本身就可以分為硬金軟金。因為電鍍硬金實際上就是電鍍合金(也就是鍍了Au及其他的金屬),所以硬度會比較硬,適合用在需要受力及摩擦的地方,在電子業界一般用來作為電路板的板邊接觸點(俗稱「金手指」的地方,如最前面的圖片中所示)。而軟金一般則用於COB(Chip On Board)上面打鋁線用,或是手機按鍵的接觸面,近來則被大量運用在BGA載板的正反兩面。

想瞭解硬金及軟金的由來,最好先稍微瞭解一下電鍍金的流程。姑且不談前面的酸洗過程,電鍍的目的基本上就是要將「金」電鍍於電路板的銅皮上,但是「金」與「銅」直接接觸的話會有電子遷移擴散的物理反應(電位差的關係),所以必須先電鍍一層「鎳」當作阻隔層,然後再把金電鍍到鎳的上面,所以我們一般所謂的電鍍金,其實際名稱應該叫做「電鍍鎳金」。

而硬金及軟金的區別,則是最後鍍上去的這層金的成份,鍍金的時候可以選擇電鍍純金或是合金,因為純金的硬度比較軟,所以也就稱之為「軟金」。因為「金」可以和「鋁」形成良好的合金,所以COB在打鋁線的時候就會特別要求這層純金的厚度。

另外,如果選擇電鍍金鎳合金或是金鈷合金,因為合金會比純金來得硬,所以也就稱之為「硬金」。

軟金及硬金的電鍍程序:

軟金:酸洗 → 電鍍鎳 → 電鍍純金
硬金:酸洗 → 電鍍鎳 → 預鍍金(閃金) → 電鍍金鎳或金鈷合金

化金

現在的「化金」,大多是用來稱呼這種 ENIG(Electroless Nickel Immersion Gold,化鎳浸金)的表面處理方法。其優點是不需要使用電鍍的繁複製程就可以把「鎳」及「金」附著於銅皮之上,而且其表面也比電鍍金來得平整,這對日趨縮小的電子零件與要求平整度高的元件(fine pitch)尤其重要。

由於ENIG使用化學置換的方法來製作出表面金層的效果,所以其金層的最大厚度原則上無法達到如電鍍金一樣的厚度,而且越往底層的含金量會越少。

因為是置換的原理,所以ENIG的鍍金層屬於「純金」,因此它也經常被歸類為「軟金」的一種,而且也有人拿它來作為COB打鋁線的表面處理,但必須嚴格要求其金層厚度至少要高於 3~5 micro-inches (μ"),一般要超過 5μ" 的化金厚度就很難達到了,太薄的金層將會影響到鋁線的附著力;而一般的電鍍金則可以輕鬆達到15 micro-inches (μ")以上的厚度,但是價錢也會隨著金層的厚度而增加。

延伸閱讀:
ENIG表面處理是什麼電路板?有何優缺點?
[影片]電路板生產線製程簡介(PCB Production Process)

閃金(Flash Gold)

「閃金」一詞源自於英文Flash,意思就是快速鍍金,其實它就是電鍍硬金的「預鍍金」程序,參考前面的「電鍍鎳金」的製程說明,它使用較大的電流與含金較濃的液槽,先在鎳層的表現形成一層密度較細緻,但較薄的鍍金層,以利後續電鍍金鎳或金鈷合金時可以更方便進行。有些人看到這樣也可以作出有鍍金的PCB,而且價錢便宜以及時間縮短,於是就有人拿這樣的「閃金」PCB出來賣。

因為「閃金」少了後面的電鍍金程序,所以其成本較真正的電鍍金來得便宜許多,但也因為其「金」層非常的薄,一般無法有效地覆蓋住金層底下的全部鎳層,所以也就比較容易導致電路板存放時間過久後氧化的問題,進而影響到可焊性。

以目前眾多電路板表面處理的方法來看,電鍍鎳金的費用相較於其他的表面處理方法(如ENIG、OSP)相對來得高,以現在金價這麼高的情況下,已經較少被採用了,除非有特殊用途,比如說連接器的接觸面處理,以及有滑動式接觸元件的需求(如金手指…)等;不過以目前的電路板表面處理技術而言,電鍍鎳金的鍍層具有良好的抗摩擦能力以及優異的抗氧化能力還是無人能比。


延伸閱讀:
COB對PCB設計的要求
PCB名詞解釋:通孔、盲孔、埋孔
PCB電路板為何要有測試點?
零件掉落與電路板鍍金厚度的關係
電路板上的鍍金純度與硬度規範ASTM-B488與MIL-G-45204


訪客留言內容(Comments)

版大:
謝謝您的分享.請問無鉛製程的清洗是用何方法,如果無專用清洗機要如何清洗,我們的金手指一直有氧化問題.我們是小公司而留在台灣的小加工廠又無無鉛清洗(以前有鉛時代有現在不相容)一直被此問題困擾.希望您可以提供些可行建議,謝謝您.

taipeirayon;
其實我不是很懂你所謂的清洗製程是製作電路板過程的清洗或是電路板成品的清洗,就我的認知如果是成品電路板的金手指氧化應該與清洗沒有太大的關係,而是與鍍金的厚度有關。如果是製作電路板過程的清洗不乾淨當然會有問題,不過我沒有深入研究過耶!

Hello 熊大,

很高興又看到您專業的評析了。很多PCB人到現在還是對於化金鍍金有一知半解的情況。 甚至誤以電鍍金就是硬金, 化學金就是軟金這樣簡單的分法來教導工程師。 更有甚者, 把化金(ENIG)也通稱叫作電鍍金。
鍍化金表面處理的國際規範IPC方面的了解小弟有花過時間研究, 不過如果有說錯的地方也請不吝指正, 讓小弟也有個學習的機會。
依據我那個年代的經驗(2000~2006我離開板廠)鍍化金最難作的就是複合式的表面處理, 就是同一個板面上同時有鍍金, 化金跟OSP三種表面處理。這都是要因應不同的需求產生的設計, 但往往讓版廠商透腦筋。
鍍金好還是化金好是要看產品本身組裝及使用的需求選擇, 而不是單靠價格及品質特性。 這都要經過相當多的考慮的。
IPC有出版幾份鍍, 化金的規範, 描述的解釋得相當詳細, 有興趣的人可以參考看看, 相信會有很大的收穫。

Daniel;
原來IPC有出鍍化金的規範啊!你有IPC的編號嗎?
就我的理解,在同一片板子上鍍化金及OSP還算容易,但如果同時要作電鍍金就有點困難,因為電鍍金必須要拉線~

我的認知軟金/硬金不是這樣區分的,應該是以它的純度做區分。
軟金純度要超過99.99%,換言之,就是高純度的才是軟金,而且利用電鍍方式金是可以直接鍍在銅層上。
至於BGA載板(IC substrate)為何要鍍鎳金而不是只鍍金,主要是封裝廠打金線時的需求。

newpsys;
謝謝你的comment,你的認知沒有錯,硬金及軟金的區別是看金的純度,純金的話稱為軟金,合金的話稱為硬金,但它們的製程都叫做電鍍鎳金,因為金層的底下需要一層電鍍鎳,所以才稱為電鍍鎳金。
至於BGA載板現在有很多都使用電鍍鎳鈀金,因為鈀可以防止黑鎳的生成,也可以形成比較平的IMC焊接…等優點。

我是不清楚BGA載板改用鎳鈀金的比例有多高,至少我們家沒改。鎳鈀金的賣點是可以用比較少的金以節省成本(用量約傳統鍍鎳金的1/10),不過對封裝廠來講二焊點(載板上的金手指)改用鎳鈀金是很痛苦的,因為打線特性完全不同。鎳鈀金有自己的問題要克服,就我的了解,其用途多侷限在覆晶(flip chip)產品,因為覆晶產品毋需打線。

版大:

謝謝您的指導.再請您指導一下
1.我們的PCI卡成品的金手指氧化情況如下
a)同一成品放在加工廠倉庫經一個月無明顯軮氧化現象
b)放在我們公司倉庫則較為氧化嚴重

2.既然金手指部份為鍍金為何仍會氧化與厚度又有何關係
a)是否PCB生產問題
b)或PCB保存環境有特殊要求
c)還是過錫爐後清洗殘留物問題

3.我們在2000年以前有鉛時代產品皆無此問題自從無鉛製程後一直有氧化問題一直很困擾.

希望您再提供一些意見供我們實驗.謝謝您!

基本上純金是不會跟空氣中的水氣起氧化作用的,問題是PCB上面的金有多純?就瞭解它基本上還是多多少少會含有雜質。
再來是鍍金表面的清潔度,有沒有受到酸鹼的污染?這也牽涉到PCB板廠清洗的時候乾不乾淨有關,以及後續有否外在污染。
另外一個是你所說的鍍金厚度,事實上金層底下的一些化學物質會起一些遷移作用往上移動,但一段時間後就會達到平衡。就實際的實用經驗,這些往上遷移的化學物質並不會影響到金手指的接觸功能。
基於上述的原因,比較就可能造成問題的就是電路板清洗,還有表面污染問題了。

版大:

非常感謝您的分享.能否再提供一些過錫爐後如何清洗的經驗.是否清洗藥劑成份要與錫爐成份配合,目前有何類型在使用中.如果未清洗可能有何問題.

Taiperayon;
很對不起,這方面的經驗我比較欠缺耶!因為我們都是使用免洗製程,少有清洗的程序,如果硬要請洗的時候,一般我們都是使用無水酒精或是YC336來做印刷電路板的清洗。

版主大大, 非常感謝您的分享.
目前有PCB鍍金分析想請教您, 由於不清楚該產品是由化金或是鍍金成形, 但須做硬度測試, 以硬度筆來做破壞性實驗, 測出結果為4H, 請問版主: 這硬度是符合要求的嗎? 亦或是一般業界常用的電鍍金與化金硬度約略為多少呢? 麻煩您撥空解答, 謝謝.

Duncan;
建議你問一下PCB供應商硬金與軟金的區別。
一般的軟金硬度140Knoop,用硬度筆應該只能測到PCB的硬度吧!

其實電鍍金不一定需要先電鍍鎳, 有一些工藝流程是在銅面上直接電鍍金, 而一般電鍍金需要先電鍍鎳主要是底材銅會比較容易遷移至金層中或金層表面而做成氧化影響焊接性或打線性能, 所以一般會先電鍍鎳層作為阻擋層, 其厚鍍最少應有 2.5 微米以上, 現在業界一般厚度約在 3-7 微米, 當然鎳層也是焊接的主要層, 因打鋁線是打在鎳層上, 薄金層主要是保護鎳層不氧化.
而電鍍軟金有分薄金和厚金, 厚金厚度會在 0.2 微米以上, 主要是打金線. 而電鍍硬金不一定需要先電鍍薄金,電鍍硬金可直接電鍍在鎳面上, 一般工藝流程先電鍍薄金主要是在很多位置只需用作焊接,所以只需要電鍍一層薄金,繼而用干膜覆蓋不需電較厚及成本較貴之硬金位置,作選擇性電鍍硬金.當然也有一些電鍍硬金流程喜歡先電鍍一層預鍍金以防止鎳層的鎳有機會污染硬金缸.
但電鍍厚軟金,必須要先電鍍預鍍金,因一般厚軟金浴溫度較高及金含量較高,如將鎳層直接在厚軟金浴電鍍,很容易會有鎳層的鎳在金浴有置換反應而做成鎳層與金層之間附著力不良,及置換之鎳離子會污染金缸.
一般預鍍金或薄金金含量較低,金含量在 1 克/升 以下, 有些會低至 0.5 克/升以下.
UMS HK Jimmy

Jimmy;
謝謝你的補充說明,解說的很詳細。

不用客氣, 版大對分享知識的熱誠也感染了我.
在這裡也分享一下有关之前 Duncan 提問過的金層硬度問題.
金層硬度基本上不可能在一般線路板產品上的金層量度, 線路板金層比較厚的一般也只有0.5-2微米, 因一般量度金層硬度儀器,要求金層厚度需要最少 4-5 微米以上,否則量度出來的硬度數值會被下面底材(如鎳)所影響而不準確, 而量度硬度的儀器鑽石頭在4-5微米金層層厚度只能打入金層1-2微米 (打太深會被下面底材硬度影響), 而儀器控制打下的力度的精準度及量度打進金層的深度都會有誤差, 所以金層越厚, 打下去的力度及深度都可以越多, 以至誤差會越少, 否則量度出來的數值誤差太大是沒有意義的.
一般量度方法, 是使用一塊銅片, 如候氏槽測試片或線路板覆銅板, 約 6×10 cm 就好, 先鍍上一層光亮鎳(約4-5微米,因底材較光亮,金層表面會較平整),再電鍍最少 4-5微米以上金層作樣板拿去測試量度, 一般量度儀器有分 microhardness 及 nanohardness, 剛才對金層厚度要求是 microhardness, nanohardness 對金層厚度要求可薄一些,約1-2微米,但在我經驗裡不太容易控制,也有很大誤差.
就我所認知的經驗裡,薄金層硬度基本上是不可量度的,厚硬金層及厚軟金層可照以上方法在金缸電鍍樣板用硬度量度儀器(一般有 Fischer, CMI等)量度其硬度. 另也有一些較複雜樣板做法,在這裡不詳述了.

Jimmy;
感謝您所提供的經驗分享。

請教Lead frame黃銅底鍍鎳, 鍍鍚, 鍍鎳有分鍍高溫鎳/低溫鎳請問2者有何優缺點? 在製程上有何差異?

熊大您好,

工作上遇到一問題,想來請教您

請問一般黃銅在鍍錫前,為何中間要先打鎳底?
我聽說是防銅氧化?(因為鎳氧化後可以作為一層保護膜防止銅氧化)
也聽說是提高抗腐蝕力與使表面較均勻,因為錫較軟,容易磨損掉,故需有一層鎳保護?

謝謝您

小業務;
以下僅是個人的理解,不一定正確。
就我個人的認知其實跟你理解的差不多,黃銅上面電鍍鎳可以提高硬度,防止氧化,讓表面比較均勻…等。所以要看你的產品的目的是什麼?如果沒有硬度、表面外觀的需求,其實直接鍍錫就可以防止氧化了,當然鍍鎳再鍍錫與直接鍍錫會有一點小差異。
如果最後的表面是鍍金的話,鍍鎳層的目的是為了當阻隔層,用來防止金與銅的互相擴散,達到長時間存放防止腐蝕的目的。

熊大您好,

謝謝您!!
我覺得您幫我思緒整理的很清楚,了解了!!

小業務;
關於您之前的疑問【黃銅在鍍錫前,為何中間要先打鎳底?】,這裡有新的資訊可以參考:
電子零件的接腳為了達到一定機械強度,經常使用「黃銅」代替「純銅」當成底材。但因黃銅含有大量的「鋅」,其對焊錫性會有很大的妨礙,所以不可以直接在黃銅上面直接鍍錫,必須先行鍍上一層「鎳」來當成屏障 (Barrier)層,才能順利完成焊接的任務。
請注意:不可在黃銅面上面直接鍍錫,因為黃銅為銅鋅合金,否則重熔後銅會直接剝離脫落,會有假焊現象。
電子工業中零件或電路板鍍鎳(Ni)的目的何在?

感謝熊大新文章的補充! 這是問電鍍廠也不一定問得到的知識呢!!

查了好多篇文章但是一直沒有找到解答
各位大大好
我想問的是什麼是電子轉移與擴散 為什麼銅金會擴散?
是互相擴散還是金到銅OR銅到金?

還有那為什麼鍍上鎳 鎳與銅和金之間不會有擴散作用?

感謝各為了 希望得到解答 已經查了很多資料
但是都只寫到銅金會擴散 應用鎳當阻隔 但是為什麼?

Rick;
「鎳、銅」與「鎳、金」之間還是會有擴散的作用,只是鎳的擴散比較緩慢~其他的就不是很清楚了~

補充一點:
鎳與金之間擴散速率遠遠低於銅與金之間擴散速率.
UMS HK Jimmy

順道回答一下Rick 的問題,但我的不一定正確.
銅鎳金之間的擴散應該不是電子轉移,而是原子轉移,是兩種金屬交界會因著空隙而會相互原子轉移擴散, 這種轉移, 溫度越高, 擴散速率越快.
以金及銅為例, 而銅擴散速率比較快,所以在銅-金中間擴散混合層近銅層那邊會出現很多空隙. 而金及鎳比金及銅的擴散速率低很多.
但另外有一種擴散途徑更顯著的是鍍層晶格之間的疏鬆度,即鍍層的致密性或孔隙率, 如鍍層致密差, 則不論是金, 鎳或銅, 其擴散速率都會很快, 所以鍍層的致密性非常重要, 而致密性又跟鍍層厚度有關, 一般而言, 鍍層越厚致密性相對越好, 所以除了鎳和金之間比銅和金之間擴散速率低之外, 相對金, 成本較便宜的鎳層可以鍍厚些,150-200微英寸足以阻擋銅層一段長時間不會擴散至金層表面造成氧化. 相反如以金層直接鍍在銅層上, 除了金和銅擴散速率較高外, 金層要鍍上30微英寸以上其鍍層致密性才比較好些, 但成本就高很多了, 所以一般金層厚度能應付焊接,打線及對環境防腐蝕防氧化就好,阻擋銅層擴散至金層表面的責任就交給更稱職更便宜的鎳層好了.

Jimmy;
謝謝您對於金屬擴散作用的不充說明。

請問市面上的USB或是AV端子等接點等金色表面也是硬金(合金)居對吧?個人使用上覺得鍍金接點可用5年以上甚至十年不因氧化或劣質有重大影響,而到了潤花賣場詢問時,3C服務員跟我強調新台幣幾百元的絕對沒有鍍金這回事,要是有也是鍍銅…但銅的接點容易氧化變黑感覺兩年左右就會接觸不良或是斷線,尤其是音響會有雜訊或接觸不良

jjter,
現在的電子零件已經很少有人用鍍金了,大部分都是化金,因為便宜,也可以節省很多製程。
不過就算是化金,也要看金層的厚度,越厚當然越貴,耐氧化也會越好。
不過賣場人員可能說對了一部分,現在很多的端子其實不鍍金也不用化金,而是改用其他金屬曾來取代,比如說鍍鑷或直接用不鏽鋼,費用比金來的便宜,至於直接用銅,似乎也有,但是銅隨 著時間會產生銅綠,在正常使用下氧化速度非常快,如果是哪種一開始接上就不會在拔下來的產品或許可以,如果需要插拔的端子,就不建議了。


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