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零件掉落與ENIG電路板鍍金厚度的關係
你知道ENIG表面處理PCB的金層厚度對於焊接品質會有什麼決定性的影響嗎?金層在PCBA的焊錫中又是扮演什麼角色?電子零件從PCB掉落又與ENIG的金層有何關係?ENIG的金層厚度該是越後越好嗎?
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作業後做整機組裝時卻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引腳上,推想焊錫斷裂面可能出現在化鎳(Electroless Nickel)層或富磷(P-rich)層位置。
其實我們公司的產品是全外包給專業代工廠生產的,所以代工廠當然得負責生產的品質,不過外包作業有時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,以這次的事件來說,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,可是卻沒有哪一方真正用心去做完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?又或是溫度加熱不足造成焊錫不良?還是鎳層(EN, Electroless Nickel)氧化造成焊接強度變弱?
弄到後來我們公司的貨也出不出去了,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討論!
首先,當然就是要瞭解現狀,先確定零件掉落是否只發生在後段產品整機組裝(Box Build),因為整機組裝及測試的時候是需要對I/O零件做實際插拔操作,前面的SMT生產及ICT測試都沒有發現到問題,而且檢查了有問題及之前沒有問題的組裝電路板(PCBA)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不到,零件就會掉落。
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!
接著開始推敲並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:
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如果零件腳上根本就沒沾錫,那肯定是零件腳氧化或是錫膏不良所引起。
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如果根本就沒有長成IMC,那reflow熱量應該不足。
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如果是斷裂在IMC層的表面,就要看IMC的長成有沒有問題,假設設計上沒有問題而IMC長成不好,則可能是回焊(Reflow)溫度不足…等問題。
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如果斷裂處發生在IMC與鎳層之間,則可以檢查富磷層是否明顯,建議一定要打元素分析看看是否含磷量過高。如果富磷層明顯而且過厚就會影響到日後的可靠性,也會引起結構不足的現象;另外也可能是鎳層氧化造成焊接強度不足。
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在零件掉落焊墊處作切片的圖片。 |
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這是拿有問題的板子在其他零件未掉落焊墊處作切片的圖片。 |
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拿以前沒有問題的板子 |
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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!
工作熊在這裡給出的意見當個參考就好,如果有電路板的專家路過的話,也請不吝提供意見。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,則無法完全覆蓋住整個鎳層,存放的時間如果太久要再拿出來焊接,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板的鍍金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,有些還會存放超過一年,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在庫房存放了三個月,不過有問題板子的金層厚度量出來大約只有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2mm x 2mm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要大得多,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
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訪客留言內容(Comments)
// Begin Comments & Trackbacks ?>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。
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?
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? \
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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