浸金及電鍍金在電路板焊接中所扮演的角色

浸金及電鍍金在電路板焊接中所扮演的角色

之前的文章曾經提過公司的產品因為ENIG板的浸金厚度不足而造成化鎳/無電鍍鎳(Electroless Nickel)氧化,甚至造零件的焊接強度不足致零件掉落的問題。不過在許多的文獻及資料記載裡都說明,金層在電路板表面處理的角色只是作為空器的隔絕層,用來保護其下面的鎳層不至於氧化而已,金(Au)在焊錫中的非但無法形成強壯的焊接,反而會形成AuSn及AuSn2等脆弱的IMC而造成金脆的後果。

(延伸閱讀:零件掉落與電路板鍍金厚度的關係)

其實ENIG板子的真正焊點應該要完全生長在鎳層,形成Ni3Sn4的良性IMC,如此才能確保焊接強度。







(下面的文章及圖片參考TPCA(台灣電路板協會)出版的「電路微切片及規範手冊」)

ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold)表面處理的板子在高溫焊接的瞬間,金層將會迅速溶解於液態錫之中,形成AuSn、AuSn2或AuSn4等共金(IMC)而快速脫離EN (Electroless Nickel)層,並迅速擴散進入焊錫之中。所以ENIG的焊點應當是完全生長在EN化鎳層的表面,一般的金層功用在保護鎳面不要跟要跟空氣直接接觸而生鏽氧化而已。金層如果太厚不但無濟於事,而且一旦超過焊點重量的3%時(Au的比重為19.3),反而會引起金脆(Gold Embrittlement)的問題,形成脆弱的IMC。

下面四張圖片為放大4500倍的SEM圖像,說明在迴焊爐熱量不足的情況下,黃金成份正要從鎳層分離融入焊錫之中的瞬間,當零件遭受外力衝擊的時候就極有可能從這一整排AuSn、AuSn2或AuSn4的IMC處裂開。

電子製造,工作狂人(ResearchMFG)。下面四張圖片為放大4500倍的SEM圖像,說明在迴焊爐熱量不足的情況下,黃金成份正要從鎳層分離融入焊錫之中的瞬間,當零件遭受外力衝擊的時候就極有可能從這一整排AuSn、、AuSn2或AuSn4的IMC處裂開。

下面四圖顯示,當焊接的熱量不足或未持續時,雖然Ni3Sn4的薄薄IMC層已經生成而焊牢,但也會因為AuSn及AuSn2還未來得及逸走,而停留在共金介面附近,當有外力拉扯的時候,就很容易斷裂開來。這就是為何ENIG的焊點強度,始終不如銅面焊點(Cu6Sn5)來得更為牢固的主因之一。

電子製造,工作狂人(ResearchMFG)。下面四圖顯示,當焊接的熱量不足或未持續時,雖然Ni3Sn4的薄薄IMC層已經生成而焊牢,但也會因為AuSn及AuSn2還未來得及逸走,而停留在共金介面附近,當有外力拉扯的時候,就很容易斷裂開來。這就是為何ENIG的焊點強度,始終不如銅面焊點(Cu6Sn5)來得更為牢固的主因之一。

下面兩圖顯示,當焊接的熱量足夠且持續的時候,金層將會完全逸走融入到焊料之中,從圖片中可以零星看到小顆粒的AuSn四處分散漂浮在焊料之中,剩下由錫鎳所形成的IMC,自然就可以得到有不錯的焊接強度。可以想見,如果浸金或鍍金層太厚,就會形成過多的AuSn共金,最後導致AuSn無法有效逸走或充滿整個焊料,進而影響到焊接強度。

電子製造,工作狂人(ResearchMFG)。下面兩圖顯示,當焊接的熱量足夠且持續的時候,金層將會完全逸走融入到焊料之中,從圖片中可以零星看到小顆粒的AuSn四處分散漂浮在焊料之中,剩下由錫鎳所形成的IMC,自然就可以得到有不錯的焊接強度。可以想見,如果浸金或鍍金層太厚,就會形成過多的AuSn共金,最後導致AuSn無法有效逸走或充滿整個焊料,進而影響到焊接強度。

Per IPC-4552 there should be 2-5 micro-inches of immersion gold applied over 120-240 micro-inches of electroless nickel. The electroless nickel is what the assembler shall be soldering to. Nickel thickness results below the range may result in gold peel and solderability issues. Nickel thickness results above the range may result in nickel cracks and solder joint failure.

The immersion gold is only there to prevent the nickel from oxidizing. The gold is absorbed into the solder joint adding no benefit. The immersion gold is a porous surface. Gold thickness results below the specified range shall result in insufficient oxidation resistance for the nickel.

Gold thickness results above the specified range shall result in an attack on the nickel itself. The nickel may corrode and ultimately result in black pad if aggressive enough. The thicker the gold the greater the risk for black pad.



延伸閱讀:
連接器使用一段時間後掉落問題探討
用滲透染紅試驗 (Red Dye Penetration Test)查看BGA焊錫
如何判斷BGA掉件是SMT工廠製程或是設計問題?




訪客留言內容(Comments)

多謝,又學多了一點。
但想問一問有關氧化的問題。我做一般樣板的廠基本上有3種方案,噴錫、鍍金和沉金。ENIG(Electroless Nickel Immersion Gold)是否指鍍金?另,以上3種方法各有甚麼優缺點可否說明一下,謝謝。

KSC;
沉金就是ENIG(化鎳浸金),使用置換的原理將金層附著於鎳層,容易有黑墊的問題,具有良好的抗氧化性。
鍍金跟ENIG的功能類似,但沒有黑墊的問題,價格也比較貴。
噴錫的表面會較不平整,不利 uBGA 及精密的焊腳作業,也無法當作長期的按件接觸面。但費用應該是這三種之中最便宜的。
可以找一下網路上有很多的資料,有機會再來整理吧!

其實化金製程管控需要較嚴謹,金厚度越薄其對鎳保護性越差(覆蓋性差)
除非用特殊方式塞住疏孔處,目前pcb一般已經都往高磷鎳方向走,因此鎳黑不易出現但相對其組裝需要較高溫度,要不然無法生成好IMC
回應FINISH製程
電鍍金:硬金==>抗磨(如金手指)、軟金(打線用)
如果要組裝焊錫電鍍硬金的話,一般金厚度不能高過5μ以上,要不然無法組裝,以上資訊供參考!!

PCB表面處理方式除了噴錫.鍍金,還有OSP

會選用ENIG當然有其優點及不得不然的條件ㄚ,我們也都知道ENIG會有信賴度的問題,但這種製程又是最耐久存以即可以長效作為按鍵接觸線路的表面處理,而且價錢也還可以…。最後還是得跟價錢或長期的成本作妥協。

ENIG之外 還可以選擇"選擇性化金"的PCB製程 但是也貴

PAUL;
的確,選擇性電鍍金當然也是選擇,但就如仁兄所言,一方面是價格必較貴,因為多了一道製程;另一方面是選擇性電鍍金還得有線路連接到板外來,否則電鍍是沒有辦法走線的,也就是無法電鍍上去。或許還有別的方法我還不知道的吧!

不太懂看SEM的圖,板主是如何定斷黃金層完全脫離?

KIN;
有經驗者看SEM就可以知道黃今是否有無逸入焊錫之中,文章中的圖片應該可以很清楚的看出黃金逸走的過程,但一般的情況下通常不會這麼明顯,所以照片僅供說明黃金逸走的過程。
真的要證明黃金有無逸走,還可以配合EDX來看IMC是否還有金的成份就知道了。

1。本研究的重點似乎只對 Elecroless Nickel,若為電鎳會如何?
電鎳金仍然有效?
2。有在最後一節如下所述的意見,我不明白這一點。如何有這樣的結論呢?
(Nickel thickness results below the range may result in gold peel and solderability issues. Nickel thickness results above the range may result in nickel cracks and solder joint failure.)

有勞您解惑

1.請問smt將led焊在鋁基板的噴錫焊點上,焊接完成後其焊接層焊錫厚度是多少?錫膏印在焊點(1mm x 2.7mm)上的面積及厚度應該是多少?
2.請問將鋁基板的線路噴錫厚是否可以保持線路的銅箔不氧化或銹蝕?

對不起,個人對鋁質基板沒有經驗。

請問將鋁基板的焊點噴錫或鍍金,其效果有何不同?優劣點各為何?

LED board因為成本因素,基本上不會採用化金板,而且也不需要
只會使用鋁基板+噴錫 or FR4+OSP
採用鋁基板好處是鋁散熱快,但不是真正在用鋁基板去蝕刻電路
而是用一般銅箔基板蝕刻線路之後再用絕緣膠壓合到鋁片上面
所以呢
1.請問smt將led焊在鋁基板的噴錫焊點上,焊接完成後其焊接層焊錫厚度是多少?錫膏印在焊點(1mm x 2.7mm)上的面積及厚度應該是多少?
a.回焊後不用去算厚度,應該要計較的是回焊之後的錫覆蓋率有沒有達到90%以上
因為LED是會發熱的零件,要是覆蓋率不足會影響散熱
b.錫膏面積及厚度要多少,這是沒有絕對的,要看對品質的影響而定,這需要慢慢
去try
2.請問將鋁基板的線路噴錫厚是否可以保持線路的銅箔不氧化或銹蝕
噴錫就是為了銅箔(Pad)不氧化

ewew;
這解說真的太精彩啦!真虧有你可以學到更多知識。

熊大~~你客氣了
有些產品要有遇到才知道,不然也是乖乖坐在旁邊看戲而已!!
像夾式屏蔽夾,我也很久沒碰有屏蔽框的產品了,
看了熊大介紹後才知道有這麼好用的東西!!


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