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    技術文章

    金屬層表面處理工藝-化學鎳金

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    基本原理:印制電路板焊盤表面須進行涂覆處理以保護連接盤銅面不被污染和氧化,保證元器件焊接可靠性,目前焊盤表面處理有熱風整平、有機可焊性保護膜、化學錫、化學銀和化學鍍鎳浸金等。而化學鍍鎳浸金(ENIG)作為無鉛化PCB鍍層工藝之一,因其鍍層平整度高、鍍層耐磨性好且接觸電阻低、可以替代電鍍鎳金(ENEG)進行綁定(WB)、高濕環境中不氧化、可作散熱表面等優越性能,被廣泛應用于精密電子產品的印刷電路板的表面處理和微電子芯片與電路板的封裝技術中。但ENIG在實際使用中存在縮錫、黑盤、金脆、腐蝕等現象,嚴重影響電子產品質量。

     

    黑盤:所謂黑盤,主要是指金浸鍍過程中由于鎳磷層被過度腐蝕導致鎳磷層表面缺乏可焊性而使焊點強度不足,甚至出現開裂的一種缺陷。由于在開裂后焊盤表面多呈深灰色或黑色,因此俗稱黑盤。
    黑盤失效特征主要包括3個方面:焊接前Ni 層表面存在腐蝕狀裂縫,Ni層截面存在縱向腐蝕,如圖1所示;焊接后Ni層截面縱向腐蝕裂縫進一步加劇,IMC層與Ni(P)層之間可見明顯富P層(P含量為焊接前的2倍或以上),如圖2所示;焊點開裂發生在IMC層與Ni3P之間,斷裂后的鎳層表面平坦,基本無焊料殘留,且可見明顯泥裂,如圖3所示。

     

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    圖1 ENIG 鍍層黑盤發生區Ni表面及縱向腐蝕特征

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    圖2 ENIG 鍍層黑盤發生區界面化合物形貌

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    圖3 ENIG鍍層黑盤發生區斷裂界面泥裂形貌及成分分布

     

    產生原因:黑盤產生的主要機理是在化學浸鍍金時,由于Ni原子的半徑比Au原子的半徑小,因此在Au原子排列沉積在Ni層上時,其表面晶粒就會呈現粗糙、稀松、多孔的形貌,而鍍液就會透過這些孔隙繼續和金層下的鎳原子反應,發生電化學腐蝕,使Ni原子繼續發生氧化,以致在金面底下未溶走的鎳離子被困在金層下面,形成不可焊接的黑色氧化鎳。
    一般而言,ENIG 化學鍍鎳層的表面越平坦越有利于減少黑盤的發生,越不平坦越容易造成浸金藥水對鎳晶界的過度攻擊而形成黑盤。為了保證表面平整度,一般要求鎳層的厚度至少在4um 以上。另外,鎳層中的P含量一般認為在8~10wt%有利于防止黑盤的發生。但是,目前對于黑盤發生的隨機性和偶然性仍難以給出科學解釋。
    檢測方法:化學鎳金通常使用掃描電鏡和X射線能譜儀(SEM&EDS)觀察鎳金鍍層的微觀結構;同時使用可焊性測試儀依照IPC/J-STD-003B 標準測試PCB焊盤的可焊性;以及通過顯微維氏硬度計來分析比較化學鎳金的硬度差異;并使用XRD對鍍層的結晶狀況進行分析,主要關注導致可焊性差異的原因。
    掃描電鏡作為材料微觀結構表征的利器,已經成為PCB制造商必不可少的分析工具。賽默飛超高分辨場發射掃描電鏡Apreo2兼具高質量成像和多功能分析性能于一體,采用雙引擎技術,超低電壓下可直接分析不導電樣品,且無需做噴鍍處理。如下圖4所示,在2KV電壓下,直接將鍍層樣品置于Apreo2電鏡中,憑借快捷的FLASH功能,設備可自動執行精細調節動作,只需移動幾次鼠標,就可完成必要的合軸對中、消像散和圖像聚焦校正,即使電鏡初學者也能充分發揮Apreo2的最佳性能。
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    圖4 ENIG 化學鎳金鍍層表面微觀形貌圖

    除此之外,利用賽默飛超高分辨場發射掃描電鏡Apreo2鏡筒內完善的“三位一體式”探測器系統,可以在不同的探測器下獲得更多的樣品表面信息,如下圖5。

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    圖5 T2探測器下的鍍層表面

     

    參考資料:

    1.李伏,李斌.化鎳浸金工藝之黑盤特征、測試方法介紹及判定標準建議.

    2.史建衛. PCB 化學鎳金鍍層(ENIG)常見問題及抑制措施.

    3.https://mp.weixin.qq.com/s/A6mNbLZhNJ10jQCFmb-K1A.


     

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