2024/09/25 • 沒有評論

ENIG印刷電路板的金層厚度品質會影響零件掉落？

工作熊這次要來跟大家來聊聊ENIG表面處理的PCB一個可能被很多人忽略的問題，那就是「ENIG的金層厚度是否會造成焊錫後的零件掉落呢？」

話說工作熊以前工作的內容，有一部分是負責管理代工廠的生產工程品質相關事項，而這個案例就是發生在工作熊以前管理代工廠時遇到的。

工作熊所管理的SMT代工廠，有一陣子突然與電路板的生產廠商打起了筆仗，自從電子郵件發明以來，明明只要拿起電話就可以直接跟對方溝通，卻有很多人喜歡用電子郵件email來email去的，有時候對方明明就坐在辦公室的隔壁，也要寫電子郵件吵架，總之工作熊就看到雙方的電子郵件一直飛來飛去，然後都copy給我，而雙方吵架的重點則是一直圍繞在 ENIG(Electroless Nickel Immersion Gold，化鎳浸金)表面處理PCB的鍍金厚度規格上。

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這裡應該不用工作熊在介紹什麼是ENIG表面處理了吧？如果你還是想了解什麼是ENIG，工作熊雖然沒有做過相關的影片，但你可以到工作熊的部落格來閱讀相關的文章。

而兩造雙方吵架的原因是SMT工廠最近生產了一批ENIG的PCBA，經過SMT組裝及板階測試後都沒發現問題，直到將PCBA裝進機殼做整機組裝時，才發現有電子零件會從PCB上掉落下來。

一開始SMT工廠強烈認定，零件掉落是ENIG的黑墊(Black pad)問題所造成，因為從PCB零件掉落處的焊墊看起來呈現出黑墊的顏色，而且大部份的焊墊也都隨著零件整個從PCB剝離連接在零件引腳上，所以SMT工廠推想，焊錫的斷裂面應該是出現在化鎳(Electroless Nickel)層或富磷(P-rich)層的位置。

講到了這裡，還是得先複習一下ENIG的金屬結構層，ENIG的底層為銅金屬，然後在銅的上面會沉積一層化學鎳，這個過程會使用到含磷(P)的還原劑來將鎳離子還原成鎳金屬，所以會有少許的磷存在於ENIG的鎳層當中，隨後在鎳層的上面再覆蓋一層浸鍍金，以作為最外層的金屬保護層，在高溫焊接的時候，存在於鎳層中的磷會漸漸地往鎳層的表面集中，最終在鎳層與IMC層形成一道富磷層(P-rich layer)。

Youtube 短影音：ENIG表面處理PCB的金屬層結構補充說明

接著我們再來說說這個案例，其實我們公司的產品是全部外包給專業代工廠來生產的，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問題時，以這次的事件來說，就看到SMT代工廠與電路板生產廠商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及SEM，認為磷(P)的含量有點偏高；那邊又說他們也做了切片也打了EDX及SEM，可是磷(P)的含量應該在正常的範圍內；這邊接著說金層太薄了，小於1.0µ”，那邊又辯說金層在焊錫中根本就沒有太多用處…等。可是說來說去，卻沒有一方真正用心做切片，然後分析零件究竟是從焊錫的哪一個層面剝離的？是IMC長得不好所造成？還是回焊溫度加熱不足造成造成焊錫不良？又或是鎳層氧化焊接強度變弱所造成？

弄到後來，變成我們公司的貨無法及時生產與出貨了，最後還是得工作熊自己跳下來作仲裁，把雙方人馬通通抓進來各打100大板，喔！不是，是把雙方人馬找過來一起開會討論原因與解決方法！這是當客戶的優勢之一，只要自己發話，雙方人馬多少都會賣面子，但是想要當仲裁者，也得有兩把刷子，否則節奏很容易就被別人帶著越走越遠。

一、瞭解現狀

工作熊召開多方會議後的第一個動作，當然就是先瞭解現況。先確認零件掉落的是電源連接器，而且只發生在後段產品的整機組裝時，這或許是因為只有整機組裝及最後測試(Final Test)的時候才會對I/O零件做實際插拔操作，所以，前面的SMT生產以及ICT板階的電性測試都沒有發現到有零件掉落的問題。

而SMT工廠在發現問題後，也針對生產有問題的批號及之前沒有問題的組裝電路板(PCBA)做了推力的測試，發現良品PCBA的零件可以承受推力到6～8Kg-f都不會掉落，而不良品的PCBA只要推到2Kg-f不到，零件就會掉落。

二、短期措施

所以短期措施就決定先用推力測試的方式來Sorting(挑選)還在WIP中的良品及不良品，不過針對作過推力且沒有掉落零件的PCBA，則要求需要再重新手焊補強焊錫，目的是為了確保零件沒有因為執行推力而引起細微的焊點龜裂，導致信賴度降低的問題；至於已經整機組裝好的完成品(FGI)，可就得傷點腦筋了。

我們最後決定是，以最後入庫的一批產品先作100％的插拔測試，然後按AQL0.4抽樣拆機檢查零件推力，其他的批號則以棧板為單位，作100%的插拔測試，而且每個棧板還要再隨機抽2台產品出來作推力測試。這可是個大工程啊！

三、追查真因

接著就是推敲與釐清零件掉落的真因了，其實零件掉落的原因不外乎最前面提到的幾個可能性，只要認真檢查掉落零件剖面切片，確認斷裂面發生在什麼地方，大概就可以知道問題出在哪裡了：

如果零件引腳上根本就沒沾到錫，那肯定是零件腳氧化或是錫膏氧化所造成。
如果根本就沒有看到IMC生長，那回焊(reflow)熱量不足應該佔大部分。
如果是斷裂在IMC層的表面，也就是在IMC層與焊錫之間，就要看IMC的生長有沒有問題，假設設計上沒有什麼問題，而IMC長得不好，則可能是Reflow溫度不足，或是鎳層氧化…等問題。
如果斷裂處發生在IMC與鎳層之間，可以檢查富磷層是否明顯，建議一定要打元素分析，看看含磷量是否過高。如果富磷層明顯而且過厚就會影響到日後的可靠性，也會引起結構強度不足的問題；另外也可能是鎳層氧化造成焊接強度不足。

接著工作熊要求雙方把各自做過的切片證據拿出來討論，結果發現雙方都只能拿出對自己要有利的部分，於是工作熊要求雙方必須分別找出有問題及沒有問題的PCB及PCBA，來做零件掉落處焊墊的剖面切片(cross-section)，等待下次討論，然後就先結束這一回合。

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等到第二次開會，SMT工廠依據工作熊的要求提供了需要的切片照片。而板廠因為沒有SMT，僅先提供金層的厚度資料，而無法提供切片的資訊，之後經本人同意讓SMT廠送兩片不良PCBA過去給板廠做分析，當然，這些在日後結算時可都是會計算成本的。

下面的照片是SMT工廠分別拿取了有問題的PCBA，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PCBA，在現在發現零件掉落的焊墊上作的切片。

說明	切片圖片
這張圖片是拿有問題的PCBA在零件掉落焊墊處作的切片。可以很明顯看得出來，零件掉落焊墊的IMC雖然有些有長出來，但卻是長得斷斷續續的，而且還依稀可以看到有圓形的AuSn及AuSn₂未來得及逸走的痕跡（因為沒有打元素成份分析，所以工作熊個人也不太敢確定是否金沒有完全融入焊錫中）。看照片，IMC應該是沒有長完全。對金層在焊錫中扮演腳色方面有興趣可以參考工作熊之前寫過的【浸金及電鍍金在電路板焊接中所扮演的角色】一文。）
這張圖片是拿有問題的PCBA在有掉落零件的其他未掉落零件焊墊處作的切片。照片顯示這顆零件焊墊上的IMC生長是正常的，而且金層也已經完全融入到了焊錫當中，不見蹤影。
這張照片是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。

就這樣經過了連續幾天緊迫盯人的追蹤與討論下來，真相似乎也漸漸有了眉目，我們發現零件掉落的斷裂面是出現在IMC層與鎳層之間，而有問題PCBA的IMC層雖然有長出來，但長得似乎並不是很完全的樣子，IMC層看起來有些斷斷續續的，也就是長起來有些不連續。

兩造雙方也都在斷裂的鎳層表面中發現了大量的O(氧)元素，雖然SMT廠還是堅持有鎳層腐蝕(Ni Erosion)發生黑墊可能性，而PCB板廠則堅持說這不是鎳層腐蝕，而應該是鎳層氧化(Ni oxidization)後所造成，工作熊雖然依稀覺得PCB板廠可能沒有把全部的真相說出來，但至少到目前為止，PCB板廠已經初步承認其PCB的製程中應該是存在問題的，而且他們也承認在其某條金槽的管控上發現了些許問題，最後也同意吸收這次事件的全部損失，所以我們也就不再繼續往下扒糞。

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是完全顛倒，也或許是工作熊對這些知識的認識還不是很足夠吧！

聊到這裡，可能還有些朋友不是清楚什麼是IMC？也不了解IMC應該要長成什麼樣子才是好的？工作熊這裡也不再贅述什麼是IMC，而是要請有興趣去看一下工作熊以前做過的這支與IMC有關的影片。

另外，也可以請大家來工作熊的部落格看一下這幾篇相關的文章：

四、結案

依據IPC4552對ENIG的要求，浸金層的厚度不得低於0.05µm(換算成英制為1.97µ”)，但這個0.05µm厚度必需要控制在4個標準差的最小厚度內，典型的金層厚度範圍在0.075µm~0.125µm，也就是2.955µ”~4.925µ”，所以我們一般會說浸金層的厚度建議在2µ”～5µ”之間，而化學鎳層則要求要在3µm～6µm，也就是在118µ”~236µ”之間。

不過金層也不能太厚，因為金層太厚會加劇金與鎳在介面處的置換反應，導致鎳層被破壞，而發生「鎳腐蝕」現象，甚至發生「黑墊」問題；另外，金如果太厚，在焊錫時就無法有效完全融入到焊錫當中，金如果堆積在IMC介面處將會造成金脆，所以，「金」在焊錫的結構中是不利焊錫強度的，這也是為何我們會說ENIG的金層厚度只要可以保護底層鎳不會與空氣接觸而氧化，金層的厚度應該越薄越好。

但是，金層如果太薄，薄到無法完全覆蓋住整個鎳層，一旦PCB存放在庫房一段時間後，要再拿出來焊接，就容易出現鎳層氧化而造成拒焊的現象，所以「金」在ENIG的最主要目的在防止電路板的焊墊氧化，確保焊接的品質，其次就是為了得到較佳的接觸電性。至於「鎳」的目的何在？就要請大家參考工作熊在部落格寫過的這篇文章了《電子工業中零件或電路板鍍鎳的目的何在？》

只不過大家也都知道，後來金價飆漲，所以我們公司的ENIG表面處理PCB的鍍金厚度，也從原本的最少2.0µ”下降到1.2µ”以上就可以，也就是說金層厚度已經薄到不能再薄了，再加上我們公司的PCB有時候一放就是三個月～半年，有些還會存放超過一年，著實讓人擔心，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，我們也只能等著後續的發展了。

而這次出問題的PCB，大概在庫房存放了三個月左右，基本上還在有效期限內，不過有問題板子的金層厚度量出來大約只有1.0µ”而已，有些甚至更薄。而根據PCB板廠最後回答的8D報告，結論是因為他們家PCB的金層厚度控制是以2mmx2mm的方框來作為控制量測的基準，但這次出問題的焊墊大小，實際上比這個尺寸要大得多，所以出問題焊墊的金層厚度並沒有受到管控，造成有些板子的浸鍍金厚度不足，至使部份板子的鎳層氧化，最後形成焊接強度不足的現象。

這裡有一篇ENIG的黑墊相關的文章，建議大家可以參考《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》

五、後記

也是經過了許久時間以後，工作熊才知道，浸鍍金在沉積的過程中，尺寸較小的焊墊會產生較高的局部電流密度，這會導致金層在較小的區域中可以沉積得更快且更厚。相反地，較大的焊墊面積會有較低的電流密度，因此金層的沉積速度會比較慢，這導致厚度相對比較薄。這種效應稱之為「邊緣效應(Edge Effect)」，可能會導致同一個焊墊或不同焊墊間有不一致的鍍金厚度分佈，進而影響焊接品質及可靠性。所以，在做ENIG的金層厚度品質管控時，建議要同時量測最大與最小焊墊的金層厚度，這樣才能更準確地反映PCB整體的鍍層品質，避免在實際應用中因為金層厚度不均造成可靠性問題。