零件掉落與電路板鍍金厚度的關係

在零件掉落處的焊墊呈現出黑墊的顏色,而且大部份的焊墊也都隨著零件整個掉落而連接在零件腳上,推想可能掉落處在化鎳(Electroless Nickel)層或富磷(P-rich)層。在零件掉落處的焊墊呈現出黑墊的顏色,而且大部份的焊墊也都隨著零件整個掉落而連接在零件腳上,推想可能掉落處在化鎳(Electroless Nickel)層或富磷(P-rich)層。

最近我們公司的SMT代工廠及電路板的生產廠商一直在吵 ENIG(Electroless Nickel Immersion Gold) 板子的鍍金厚度規格,原因是EMS工廠最近生產了一批ENIG的板子,經過SMT後作整機組裝時發現有零件掉落的問題,一開始SMT工廠強烈認定是黑墊(Black pad)所造成,因為從外觀看起來,在零件掉落處的焊墊呈現出黑墊的顏色,而且大部份的焊墊也都隨著零件整個掉落而連接在零件腳上,推想可能掉落處在化鎳(Electroless Nickel)層或富磷(P-rich)層位置。

其實我們公司的產品是外包給專業代工廠生產的,所以生產的品質代工廠當然得負責,不過外包作業有時候就是會有許多扯不清楚的地方,尤其是關係到責任的歸屬與賠償的問題時,所以就看SMT代工廠與電路板生產廠兩邊來來回回的打了好幾回合的仗,這邊說是黑墊的問題,因為做了切片打了EDX/SEM,認為磷(P)的含量有點偏高,那邊說他們也做了切片也打了EDX/SEM,可是磷(P)的含量應該在正常的範圍內;這邊說鍍金層太薄小於1.0µ",那邊又辯說金層在焊錫中是沒有太多用處的…等,可是卻沒有一方真正用心去做切片然後分析零件究竟是從哪一個層面剝離?是IMC長成不好?是溫度加熱不足造成焊錫不良?是鎳層(EN, Electroless Nickel)氧化造成焊接強度變弱?







弄到後來我們公司的貨出不出去,最後還是得自己跳下去作仲裁,把雙方人馬通通抓進來一起開會!

首先當然就是要瞭解現狀,先確定零件掉落只有發生在後段產品整機組裝(Box Build)的時候,因為整機組裝的時候需要需要插拔零件,前面的SMT及ICT都沒有發現到問題,而且檢查了有問題及之前沒有問題的電路板組裝後,發現良品的電路板零件可以承受到6~8Kg-f的推力不會掉落,而不良品的電路板只要推到2Kg-f以下零件就掉落了。

所以短期措施可以先用推力的方式來Sorting(挑選)良品及不良品,不過作過推力的零件需要再手焊一次以確保零件沒有因為執行推力而引起細微的焊點龜裂;至於已經整機組裝好的完成品,可就傷腦筋了,我們最後決定以最後入庫的一批產品先作100%的插拔測試,然後按AQL0.4拆機檢查零件推力,其他的批量則以棧板為單位,作100%的插拔測試並抽2台作推力測試。這可是大工程啊!

接著推敲釐清零件掉落的真因,其實零件掉落不外乎上面提到的幾個可能性,先檢查零件斷裂在什麼地方,大概就可以知道問題出在哪裡了:

下面的圖片拿取了有問題的板子,然後在有零件掉落的焊墊與零件沒有掉落的焊墊上作切片,另外再拿一片之前生產沒有問題的板子,在現在發現零件掉落的焊墊上作切片。

說明 切片圖片

這是拿有問題的板子作切片零件掉落焊墊的圖片。
可以很明顯看出零件掉落焊墊的IMC似乎沒有長成完全,似乎依稀還可以看到AuSn及AuSn2還未來得及逸走的痕跡(沒有打元素成份,個人不太敢確定)。
(延伸閱讀:
浸金及電鍍金在電路板焊接中所扮演的角色

電子製造,工作狂人(ResearchMfg)問題板切片

這是拿有問題的板子作切片其他零件未掉落焊墊的圖片。
發現其他零件焊墊上的IMC長成正常,金層也完全融入了焊錫當中。

電子製造,工作狂人(ResearchMfg)問題板切片

拿以前沒有問題的板子
切片檢查同一個零件掉落的位置,發現IMC長成也是正常。

電子製造,工作狂人(ResearchMfg)良品板切片

經過連續幾天的追蹤討論下來,真相好像也漸漸有了眉目,我們發現零件是掉落在IMC與鎳層之間,而且IMC的生長似乎也有點不足,雙方也都在鎳層中發現了O(氧)的成份,雖然一方還是堅持有鎳層腐蝕(Ni Erosion)的黑墊可能性,另一方則堅持沒有鎳層腐蝕,而是鎳層氧化(Ni oxidization)造成,雖然依稀覺得電路板廠商沒有把全部的真相說出來,但至少電路板廠商已經初步承認其電路板的製程有些問題,而且在其某條金槽的管控上發現了些許問題,也願意吸全部收損失,所以我們也不再繼續往下扒糞。

只是鎳層腐蝕(Nickel erosion)與鎳層氧化(Ni oxidation)在金層厚度的控制上似乎剛好顛倒,或許是工作熊的認識還不足吧!

工作熊在這裡的意見當參考就好如果有電路板的專家路過的話,請不吝提供意見。依據IPC4552的要求一般化金層的厚度建議在2µ"~5µ",化學鎳層在3µm(118µ")~6µm(236µ")。不過金層要越薄越好,以免造成金脆與反向腐蝕,因為「金」在焊接過程中是不起反應的元素;但是金層如果太薄,就無法完全覆蓋住鎳層,存放的時間一久要再拿出來焊接,就容易出現氧化而有拒焊的現象,所以「金」的目的在這裡最主要在防止電路板氧化。至於「鎳」的目的何在?就請參考這篇文章:電子工業中零件或電路板鍍鎳的目的何在?

因為最近金價飆漲,所以我們公司的ENIG板的鍍層厚度也從原本的最少2.0µ"下降到1.2µ"以上就可以了,也就是說金層厚度已經薄到不能再薄了,再加上板子有時候一放就是三個月~半年,有些還會超過了一年,著實有些擔心,老實說我們還在密切觀察這樣的金層厚度會不會有什麼副作用出現,不過上面的老闆既然已經答應供應商且決定如此,我們也只能等著看。

這次出問題的板子大概放了三個月,不過有問題板子的金層厚度大約只有1.0µ"左右或更薄,根據電路板廠商最後回答的8D報告結論,是因為其電路板的金層厚度控制是以2mmx2mm的方框來作為量測的基準,但這次出問題的焊墊實際上比起這個尺寸可就大多了,所以這裡的焊墊金層厚度並沒有受到管控,造成有些板子的浸金厚度不足,至使部份板子的鎳層氧化,最後形成焊接強度不足的現象。以上是電路板供應商的部份回答,個人還是有些疑慮未清啦。

相關閱讀:ENIG表面處理PCB焊墊的兩大潛在問題(黑鎳與富磷層)及預防措施


延伸閱讀:
連接器使用一段時間後掉落問題探討
浸金及電鍍金在電路板焊接中所扮演的角色
如何判斷BGA掉件是SMT工廠製程或是設計問題?
用滲透染紅試驗 (Red Dye Penetration Test)查看BGA焊錫


訪客留言內容(Comments)

謝謝你的文章…
想請教一下…我們是鎳金…
表面鍍金 我的認知只是防氧化而已 沒別的作用
鎳1.3um 表面只有200A 金的厚度
我們鍍金面積1cm^2

1.如果表面只是防氧化 200A 厚度夠嗎?
2.儲存位置非放置於氮氣櫃.至少3個月.. 這對拒焊會影響嗎?
3.是不是有鍍金的板子 儲放一定要放置於氮氣櫃中…
4.有人說鎳金厚度越厚 對於焊接的可焊性 越高 是這樣嗎?

謝謝

ag7645;
1. 我不太清楚你的200A是甚麼單位耶!就我的了解,鍍金的目地的確只在防止下面的鎳層氧化而已,對焊錫並沒有太大的幫助。
2. 就我的了解是鍍金板不一定要放在氮氣櫃,如果鍍金的厚度達到標準,原則上放六個月也不會有氧化的問題,當然如果不計成本,可以放當然最好,另外,至少也要管控濕氣。
3. 如第2點
4. 金層在焊錫中並不起焊接的作用,所以不是說鍍金厚度越厚就越好,有時候反而會適得其反,目前看來比較好的共金應該是鎳錫及銅錫的IMC比較理想。我正在整理一份資料,應該可以在下星期放上來給大家參考。

熊大,请教一个问题,做SMT焊接的锡膏不是有一定量的助焊剂吗?即使焊盘上存在氧化状况,助焊剂也应该清除掉氧化物阿,为什么能产生这么大的不良现象?从电路板厂商的回答来看我觉得应该是还有其他的原因,而不仅仅是镀金厚度不够,希望熊大能帮忙解疑…我们BGA的焊盘镀金厚度也只有0.38u而已,放置一个月再使用的情况也有,并未出现此类现象。

Jerry;
說真的,我個人也認為PCB板的廠商並沒有完全說實話,個人不排除有黑墊(Black pad)的成份存在,不過現在PCB板廠商已經定調金層太薄造成鎳層氧化所致,而且同意吸收所有的損失,所以我們也不再堅持深究。
錫膏內的Flux的確可以清除部份氧化,可是以現在的無鉛焊錫,其效果似乎不若以前的有鉛來得很明顯,如果是叫嚴重的的氧化應該也很難用錫膏內的Flux清除,以這個例子,零件其實有焊接成功,只是焊接的強度不足,後面在加手焊之後就可以補強,所以推測其參數應該處在邊緣值,如果Reflow的迴焊時間可以在加長一點點或許就可以改善了,但電路板組裝廠當然會有不一樣的看法,而且迴焊時間加長也可能加速其他零件的老化。
你的0.38u應該是公制,換算成英制應該有0.15u”的厚度,已經比我們現在要求的0.12u”要厚了,目前的經驗是只要鍍金厚度高於0.12”就沒事,還要繼續觀察就是了。

熊大你好,我是作BGA的ME,读了你的文章很受启发,但对IMC是否正常长成还是比较模糊,能否再详细解析如何区分IMC是否正常长成?谢谢!

guangxing;
應該可以看IMC是否均勻分布在整個焊錫面,還要看看IMC的厚度是否恰當。

谢谢 熊大的分析,希望以后能经常拜读熊大的文章。

電鍍金有厚度分布的問題,化學金或許也有厚度分布的問題,從板廠的說法來看,金厚度的監控方式(測量點)有需要深入追究。

的確是有金層厚度不均勻的問題,所以PCB廠商才要開始控管比較大的PAD。

ag7645;
1. 我不太清楚你的200A是甚麼單位耶!就我的了解,鍍金的目地的確只在防止下面的鎳層氧化而已,對焊錫並沒有太大的幫助。

版主好:
200A 是指 0.02u 的鍍金厚度…
依你的經驗 這麼薄的厚度 對防止氧化有用嗎?

Figo;
建議你弄清楚你的厚度市公製還是英製,這裡談的一般都是以英製為單位,我們公司的鍍金厚度規定在1.2microinch以上就可以,實行了將近一年,這個問題第一發生,而且也只發生在1.2microinch以下的板子。
一般的鍍金要求通常是2.0microinch最少,但由於金價昂貴,所以有價低的趨勢。
原則上2.0microinches以上一定沒有問題,1.2microinches需要再觀察,但我們公司已經開始使用。

如果發生不良 有同一批號 同DATE CODE pcb還沒上件 可以剝金(氫化鉀) 看鎳層 也可以知道是否有黑墊

Paul;
因為不良率並不是100%,所以我們也有取樣剝金觀察鎳層,也作了切片,結果也是各說各話,最後但PCB廠商同意吸收不良的成本,所以PCB廠商應該有發現自己理虧的地方,只是可能沒有全盤托出而已。目前還再吵那一缸子的空板要不要用。我個人是傾向不用啦!

熊大
之前公司也發生類似問題
我們身為製造廠請工研院做縱深分析 (ESCA)
類似應用 定量的酸蝕 將不良品 & 良品 不同位置 依時間序列
用 EDX 量測每單時間內 (可轉換成 深度) 每層上元素變化
也是說 磷層 較厚 鎳層 有 氧化 現象
可以請教下 化金板 有每層 厚度的 規範標準嗎
那時有聽說 應該是不能有 磷層 出現才對 是嗎? \

Allen;
就我的了解ENIG的磷(P)多多少少還是會出現的,驗證不良品的時候最好可以拿一件良品及一件不良品,同時作EDX來作一下比較比較能夠清楚的知道哪裡出了問題。
關於富磷層的出現,網路上也有很多的文獻,可以搜尋一下。

請問熊大 如果鎳金層厚度不夠 會造成錫吃金 再吃鎳 最後直接接著基板的現象嗎?

Bryan;
印象中沒有見過這樣的問題,因為鎳層一般都很厚,比金層厚約50倍。
不過經過一段長時間之後,銅層有機會慢慢擴散到鎳層。

熊大您好 :
想請教一下 , IC封裝中的電鍍製程 , 如果鍍錫厚度不足 , 會造成何種問題呢 ?

Thanks & Best regards

John;
這個要看Leadframe在還未鍍錫前原本是什麼材質,不過如果鍍錫太薄應該都繪影想到客戶端焊接於電路板的能力,如果LeadFrame沒有任何電鍍,就是「銅」,那就氧化風險就很高,
如果是鍍「鎳」,養畫得程度會比銅來得輕微,但會影響銲錫的效果,因為會形成氧化鎳,影響焊接品質。


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