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技術(shù)文章

金屬層表面處理工藝-化學(xué)鎳金

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基本原理:印制電路板焊盤表面須進(jìn)行涂覆處理以保護(hù)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(fēng)整平、有機(jī)可焊性保護(hù)膜、化學(xué)錫、化學(xué)銀和化學(xué)鍍鎳浸金等。而化學(xué)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(jìn)行綁定(WB)、高濕環(huán)境中不氧化、可作散熱表面等*性能,被廣泛應(yīng)用于精密電子產(chǎn)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(shù)中。但ENIG在實際使用中存在縮錫、黑盤、金脆、腐蝕等現(xiàn)象,嚴(yán)重影響電子產(chǎn)品質(zhì)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(dǎo)致鎳磷層表面缺乏可焊性而使焊點強度不足,甚至出現(xiàn)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(jìn)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(fā)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(fā)生區(qū)Ni表面及縱向腐蝕特征

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圖2 ENIG 鍍層黑盤發(fā)生區(qū)界面化合物形貌

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圖3 ENIG鍍層黑盤發(fā)生區(qū)斷裂界面泥裂形貌及成分分布

 

產(chǎn)生原因:黑盤產(chǎn)生的主要機(jī)理是在化學(xué)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(xiàn)粗糙、稀松、多孔的形貌,而鍍液就會透過這些孔隙繼續(xù)和金層下的鎳原子反應(yīng),發(fā)生電化學(xué)腐蝕,使Ni原子繼續(xù)發(fā)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(xué)鍍鎳層的表面越平坦越有利于減少黑盤的發(fā)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(rèn)為在8~10wt%有利于防止黑盤的發(fā)生。但是,目前對于黑盤發(fā)生的隨機(jī)性和偶然性仍難以給出科學(xué)解釋。
檢測方法:化學(xué)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(jié)構(gòu);同時使用可焊性測試儀依照IPC/J-STD-003B 標(biāo)準(zhǔn)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(xué)鎳金的硬度差異;并使用XRD對鍍層的結(jié)晶狀況進(jìn)行分析,主要關(guān)注導(dǎo)致可焊性差異的原因。
掃描電鏡作為材料微觀結(jié)構(gòu)表征的利器,已經(jīng)成為PCB制造商必不可少的分析工具。賽默飛超高分辨場發(fā)射掃描電鏡Apreo2兼具高質(zhì)量成像和多功能分析性能于一體,采用雙引擎技術(shù),超低電壓下可直接分析不導(dǎo)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(shè)備可自動執(zhí)行精細(xì)調(diào)節(jié)動作,只需移動幾次鼠標(biāo),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(xué)者也能充分發(fā)揮Apreo2的最佳性能。
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圖4 ENIG 化學(xué)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(fā)射掃描電鏡Apreo2鏡筒內(nèi)完善的“三位一體式”探測器系統(tǒng),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(biāo)準(zhǔn)建議.

2.史建衛(wèi). PCB 化學(xué)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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