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金屬層表面處理工藝-化學(xué)鎳金

歐波同 2023-12-26 | 閱讀：967

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、可作散熱表面等優(yōu)越性能,，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(shí)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(diǎn)強(qiáng)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(gè)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(diǎn)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(shí),，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(shí),，其表面晶粒就會(huì)呈現(xiàn)粗糙、稀松,、多孔的形貌,，而鍍液就會(huì)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(duì)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(duì)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(cè)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(shí)使用可焊性測(cè)試儀依照IPC/J-STD-003B 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試PCB焊盤的可焊性,；以及通過顯微維氏硬度計(jì)來分析比較化學(xué)鎳金的硬度差異,；并使用XRD對(duì)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(chǎng)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(dòng)執(zhí)行精細(xì)調(diào)節(jié)動(dòng)作，只需移動(dòng)幾次鼠標(biāo),，就可完成必要的合軸對(duì)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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