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

隨著智慧型手機的普及,電子產品的小型化趨勢以及歐盟對無鉛製程的要求,同時也由於化鎳浸金(ENIG)表面處理工藝相較於其他表面處理工藝來得簡單與較低廉的成本,另外還有其優良的可重複焊接性、良好的平整度適合細腳零件、可長期儲存不易氧化等優點,所以有越來越多的電子產品選擇以ENIG作為其PCB的表面處理。

但是在我們日常的SMT焊接作業中,也經常發現這種ENIG表面處理的板子容易出現鎳腐蝕以及富磷層這兩大致命問題,這類問題一旦發生,經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,一般再生產的當下不易被察覺,一旦發現時大多為時已晚,傷害及損失已經造成,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現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」。

~也許會有謬誤的地方,還請指正~

ENIG的「黑鎳」主要成份基本上有二:「富磷」及「氧化鎳」。

「磷」來自化學鎳鍍層,在後續的「金」與化學鎳置換的過程中,因為「磷」不起反應,所以會停留在金層與鎳層之間,形成富磷(P-rich)層,最後在焊接強度上形成脆化的結果。

「氧化鎳」基本上為複雜的NixOy化學式組成(x及y為數字),其根本原因為化鎳表面在進行浸金置換反應時,其鎳面受到過度的氧化反應(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)不規則的沈積以致形成粗糙且疏鬆多孔的晶粒排列,也就是說「金」層未能完全覆蓋住底「鎳」層,讓鎳層有機會暴露於空氣中繼續氧化作用,於是在「金」層的下面逐漸地形成鎳鏽,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)當基礎,當電路板經過回焊爐加熱時,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也是斷斷續續不均勻,這樣就會造成焊接強度降低,就像一片塗抹了水泥的磚牆,磚牆與磚牆間的水泥就猶如IMC,如果有些地方沒有塗到水泥,牆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業者採用。

下列資料來自「中国赛宝实验室」罗道军 的著作,基於需要做了部份文辭修正以符合繁體中文。

ENIG焊盤的兩大潛在問題及其預防

ENIG的基本工藝

ENIG表面處理電路板最大的優勢之一就是製造工藝簡單,原則上只需使用兩種化學藥水(化學鍍鎳與酸性金水)就可以完成,當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製作化學鎳沈積,通過控制時間及溫度來控制鎳層的厚度;再利用剛沈積完成的新鮮鎳活性,將鎳的焊盤浸入酸性的金水中,通過化學置換反應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,直到鎳層全部覆蓋後該置換反應將自動停止,清洗焊盤表面的污物後工藝即可完成。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的品質檢查是非常必要的。

延伸閱讀:[影片]電路板生產線製程簡介(PCB Production Process)

黑鎳的形成與危害

鎳層的品質主要取決於鎳鍍液的配方以及化學沈積時溫度的控制,當然還會跟酸性金水處理的工藝有一定關係。該化學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範圍,當磷含量偏低的時候,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;當磷的含量偏高時,所形成的鍍層硬度將明顯增加,導致其可焊性下降,也會嚴重影響可靠焊點的形成。如果鎳鍍層中磷含量偏低,而化學置換反應鍍金時又沒有處理好,如果得到了大量有裂紋的金鍍層,酸性金水在後續的清洗工序中也必然不容易去除,將導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。

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當黑鎳生成後,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,而已經被腐蝕氧化的鎳則無法與熔融的錫形成共化物(IMC),導致焊點可靠性嚴重下降,只要稍微受外力影響即發生開裂。這種黑鎳造成的典​​型焊點開裂狀況詳見圖3。

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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,磷佔有一定比例並且均勻分佈,這樣一來,在鎳參與合金化後局部多餘的磷將會富集下來,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,當焊點受到外來的應力衝擊時,必定從最脆弱的環節先行破壞,而富磷層就有可能是首先破壞的薄弱環節,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,導致富餘的磷更多,富磷層就越發明顯,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。

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黑鎳與富磷層的預防與控制

雖然黑鎳的形成以及富磷層的出現有很強的隱蔽性,一般手段可能難以發覺與預防。但是當我們清楚其產生的原因之後,就可以找到有效的預防及控制的方法。

對於黑鎳的形成,製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於最佳狀態。酸性的金水也需要有很好的維護,其腐蝕性過強時應該及時調整。

對於用戶而言,

  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,並用EDS分析鎳鍍層中磷的比例是否在正常範圍內;
  2. 其次,可以選擇典型的焊墊用手工焊接並測量其焊點的推拉強度,當發現推拉強度異常小的話就有可能存在黑鎳;
  3. 最後的一種方法就是對ENIG樣品進行酸性氣體腐蝕試驗,如果發現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現問題,避免造成大量有可靠性問題的電路板組件的產生,從而將損失控制在最低限度。

而對於富磷層的產生,當鎳鍍層中的磷鎳比例適當的時候,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)產生的同時,必然也富集了過厚的富磷層。


延伸閱讀:
零件掉落與電路板鍍金厚度的關係
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?

訪客留言內容(Comments)

EDS & SEM 是無法正確的檢測是否為黑墊的!一般第三方檢驗公司用這種方式檢驗是不被國際專業單位認同的 !應該是用更專業、更精準的方法檢測!這種問題我處理過很多次了!

Daniel Huang


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