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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:
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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。
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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。
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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。
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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。) |
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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。 |
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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。
- 什麼是 IMC (Intermetallic Compounds, 介金屬共化物)是焊接的必然物
- IMC補充說明計算(用EDS/EDX的元素成份分析計算IMC化學式)
- BGA發生錫裂一定是焊錫問題嗎?錫裂原因與解決方法探討
- BGA錫裂一定是焊錫問題嗎(II)?PCBA包含有那些結合力
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:
- [短篇小說]解密BGA的焊接之謎06:IMC是什麼
- 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
- 為什麼IMC已經形成有效焊接但零件掉落還是發生IMC層斷裂之觀念澄清
- 何謂IMC (Intermetallic Compound)?IMC與PCB焊接強度有何關係?IMC厚度有IPC標準?
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。
YouTube影片:用案例說明ENIG印刷電路板的金層厚度品質是否影響零件從PCB掉落?
Podcast:用案例說明ENIG印刷電路板的金層厚度品質是否影響零件從PCB掉落?
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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4. 工作熊並非某一方面的專家,所以回答的內容或許會有不正確的地方,服用前還請三思。如果您想詢問關於電路板方面的工程問題,請前先參考這篇文章【詢問工程問題,請提供足夠的資訊以利有效回答】 把自己的問題想清楚了再來詢問,並且請提供足夠的資訊,這樣才能有效回答問題。
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