隨著智慧型手機(jī)的普及，電子產(chǎn)品的小型化趨勢以及歐盟對(duì)無鉛制程的要求，同時(shí)也由于化鎳浸金(ENIG)表面處理工藝相較于其他表面處理工藝來得簡單與較低廉的成本，另外還有其優(yōu)良的可重復(fù)焊接性、良好的平整度適合細(xì)腳零件、可長期儲(chǔ)存不易氧化等優(yōu)點(diǎn)，所以有越來越多的電子產(chǎn)品選擇以ENIG作為其PCB的表面處理。

但是在我們?nèi)粘５腟MT焊接作業(yè)中，也經(jīng)常發(fā)現(xiàn)這種ENIG表面處理的板子容易出現(xiàn)鎳腐蝕以及富磷層這兩大致命問題，這類問題一旦發(fā)生，經(jīng)常會(huì)造成大量批次性的焊點(diǎn)可靠性問題。因?yàn)檫@兩類問題都非常隱蔽，一般再生產(chǎn)的當(dāng)下不易被察覺，一旦發(fā)現(xiàn)時(shí)大多為時(shí)已晚，傷害及損失已經(jīng)造成，也可能無法彌補(bǔ)。

所以，很多人在使用ENIG(化鎳浸金)表面處理的板子打件發(fā)現(xiàn)到有零件掉落或是焊性不良時(shí)，最先想到的問題通常是「黑鎳」又稱「黑墊」，可是又好像沒有幾個(gè)人真正了解何謂「黑鎳」或「黑墊」，所以本文試著用工作熊了解的角度來跟大家探討一下ENIG的「黑鎳」或「黑墊」。

 

ENIG的「黑鎳」主要成份基本上有二：「富磷」及「氧化鎳」。

「磷」來自化學(xué)鎳鍍層，在后續(xù)的「金」與化學(xué)鎳置換的過程中，因?yàn)椤噶住共黄鸱磻?yīng)，所以會(huì)停留在金層與鎳層之間，形成富磷(P-rich)層，最后在焊接強(qiáng)度上形成脆化的結(jié)果。

「氧化鎳」基本上為復(fù)雜的NixOy化學(xué)式組成（x及y為數(shù)字），其根本原因?yàn)榛嚤砻嬖谶M(jìn)行浸金置換反應(yīng)時(shí)，其鎳面受到過度的氧化反應(yīng)（金屬鎳游離成為鎳離子即為廣義的「氧化」），再加以體積甚大的「金」原子（金原子半徑144pm）不規(guī)則的沉積以致形成粗糙且疏松多孔的晶粒排列，也就是說「金」層未能完全覆蓋住底「鎳」層，讓鎳層有機(jī)會(huì)暴露于空氣中繼續(xù)氧化作用，于是在「金」層的下面逐漸地形成鎳銹，最終造成焊接的阻礙。

因?yàn)榇蟛糠值暮稿a，如SAC305,  SAC3005, SnBi, SnBiAg等成份基本還是以錫(Sn)當(dāng)基礎(chǔ)，當(dāng)電路板經(jīng)過回焊爐加熱時(shí)，Sn會(huì)與ENIG的鎳(Ni)會(huì)形成Ni3Sn4的IMC(共化物)，如果鎳層氧化了，就會(huì)難以生成理想的IMC，就算可以勉強(qiáng)生成，其IMC也是斷斷續(xù)續(xù)不均勻，這樣就會(huì)造成焊接強(qiáng)度降低，就像一片涂抹了水泥的磚墻，磚墻與磚墻間的水泥就猶如IMC，如果有些地方?jīng)]有涂到水泥，墻面的強(qiáng)度就會(huì)變得脆弱是一樣的道理。

其實(shí)電路板的表面處理還有「化鎳浸鈀金((ENEPIG)」，而且這種表面處理可以有效抑制「黑鎳/黑墊」生成的問題，但是因?yàn)槠滟M(fèi)用比較昂貴，所以目前還只有高階板、CSP或是BGA業(yè)者采用。

 

ENIG焊盤的兩大潛在問題及其預(yù)防

ENIG的基本工藝

ENIG表面處理電路板最大的優(yōu)勢之一就是電路板生產(chǎn)制造工藝簡單，原則上只需使用兩種化學(xué)藥水（化學(xué)鍍鎳與酸性金水）就可以完成，當(dāng)然還需要其他的藥水輔助。ENIG表面處理工藝一般是先在銅焊盤制作化學(xué)鎳沉積，通過控制時(shí)間及溫度來控制鎳層的厚度；再利用剛沉積完成的新鮮鎳活性，將鎳的焊盤浸入酸性的金水中，通過化學(xué)置換反應(yīng)將金從溶液中置換到焊盤表面，而部分表面的鎳則溶入金水中。置換上來的「金」會(huì)逐漸將鎳層覆蓋，直到鎳層全部覆蓋后該置換反應(yīng)將自動(dòng)停止，清洗焊盤表面的污物后工藝即可完成。這時(shí)的鍍金層往往大約只有0.05um(2u")的厚度或更薄，所以說ENIG的工藝非常容易控制且成本相對(duì)較低（與電鍍鎳金相比） 。

顯然表面這層薄薄的金層只能起到對(duì)鎳層的氧化保護(hù)作用，一旦金層不足以保護(hù)鎳層，導(dǎo)致鎳與空氣接觸腐蝕氧化或被金水過渡浸蝕，即會(huì)形成所謂的「黑鎳」或「黑墊」現(xiàn)象，而此時(shí)焊盤的表面用肉眼看來還是金光閃閃的金子，一般用目視是很難判斷是否有問題。因此，組裝工藝前加強(qiáng)對(duì)ENIG表面處理的PCB的品質(zhì)檢查是非常必要的。

延伸閱讀：電路板生產(chǎn)線制程簡介(PCB Production Process)

 

黑鎳的形成與危害

鎳層的品質(zhì)主要取決于鎳鍍液的配方以及化學(xué)沉積時(shí)溫度的控制，當(dāng)然還會(huì)跟酸性金水處理的工藝有一定關(guān)系。該化學(xué)鍍鎳的工藝是通過在焊盤表面次磷酸鹽與鎳鹽的自催化反應(yīng)得到鍍層，鍍層中會(huì)含一定的「磷(P)」，許多研究顯示，鍍層中磷(P)的正常比例應(yīng)該在7％～10％之間，如果鍍液的配方得不到即時(shí)的維護(hù)或溫度失去控制，磷的含量就會(huì)偏離這個(gè)正常的范圍，當(dāng)磷含量偏低的時(shí)候，鍍層將非常容易受到腐蝕，這種腐蝕首先來自酸性的金水浸蝕；當(dāng)磷的含量偏高時(shí)，所形成的鍍層硬度將明顯增加，導(dǎo)致其可焊性下降，也會(huì)嚴(yán)重影響可靠焊點(diǎn)的形成。如果鎳鍍層中磷含量偏低，而化學(xué)置換反應(yīng)鍍金時(shí)又沒有處理好，如果得到了大量有裂紋的金鍍層，酸性金水在后續(xù)的清洗工序中也必然不容易去除，將導(dǎo)致在空氣中暴露的鎳鍍層腐蝕加速，最終形成黑鎳，即所謂的黑焊墊產(chǎn)生。

典型的黑焊盤照片見圖1，黑焊盤的橫截面見圖2，從橫截面的照片上可以看到有典型的縱向裂紋，是為黑鎳的典型特徵。

當(dāng)黑鎳生成后，ENIG的表面的金鍍層還不會(huì)有明顯的變色，容易給人焊墊表面處理仍然良好的假象。當(dāng)這種焊墊進(jìn)行高溫焊接時(shí)，作為可焊性保護(hù)層的金會(huì)迅速溶解到錫膏中去，而已經(jīng)被腐蝕氧化的鎳則無法與熔融的錫形成共化物(IMC)，導(dǎo)致焊點(diǎn)可靠性嚴(yán)重下降，只要稍微受外力影響即發(fā)生開裂。這種黑鎳造成的典??型焊點(diǎn)開裂狀況詳見圖3。

 

富磷層的形成與危害

ENIG表面處理的焊墊，在焊接的工藝中，真正與錫膏形成合金的是ENIG中的「鎳」，其典型的金屬間化物(IMC)合金是Ni3Sn4，而鎳鍍層中的磷是不參與金屬化的，但是在鎳層中，磷佔(zhàn)有一定比例并且均勻分佈，這樣一來，在鎳參與合金化后局部多馀的磷將會(huì)富集下來，集中在合金層的邊緣形成富磷層，如果富磷層太厚，其強(qiáng)度將大打折扣，當(dāng)焊點(diǎn)受到外來的應(yīng)力衝擊時(shí)，必定從最脆弱的環(huán)節(jié)先行破壞，而富磷層就有可能是首先破壞的薄弱環(huán)節(jié)，這時(shí)焊點(diǎn)的可靠性必然明顯的受到影響。

特別是在高熱的無鉛工藝過程中，如果工藝控制不良，金屬間化物常常較厚，導(dǎo)致富馀的磷更多，富磷層就越發(fā)明顯，焊點(diǎn)的可靠性就面臨危險(xiǎn)。典型的富磷層見圖4中的金屬間化物與鎳鍍層之間的黑色地帶，該黑色帶狀區(qū)域可以用能譜分析儀（EDS）分析證實(shí)其含有極高含量的磷。大量的失效案例證明，富磷層的存在是焊點(diǎn)開裂失效的一個(gè)主要的原因。

 

黑鎳與富磷層的預(yù)防與控制

雖然黑鎳的形成以及富磷層的出現(xiàn)有很強(qiáng)的隱蔽性，一般手段可能難以發(fā)覺與預(yù)防。但是當(dāng)我們清楚其產(chǎn)生的原因之后，就可以找到有效的預(yù)防及控制的方法。

對(duì)于黑鎳的形成，制造階段主要是要做好鍍液的維護(hù)以及工藝溫度的控制，使鍍層中的鎳磷比例處于最佳狀態(tài)。酸性的金水也需要有很好的維護(hù)，其腐蝕性過強(qiáng)時(shí)應(yīng)該及時(shí)調(diào)整。

對(duì)于用戶而言，

1、最好的手段是使用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)焊墊的表面處理作微觀的表面觀察，主要檢查鍍金層是否存在裂紋，并用EDS分析鎳鍍層中磷的比例是否在正常范圍內(nèi)；

2、其次，可以選擇典型的焊墊用手工焊接并測量其焊點(diǎn)的推拉強(qiáng)度，當(dāng)發(fā)現(xiàn)推拉強(qiáng)度異常小的話就有可能存在黑鎳；

3、最后的一種方法就是對(duì)ENIG樣品進(jìn)行酸性氣體腐蝕試驗(yàn)，如果發(fā)現(xiàn)其表面長出粉末或變色，說明焊盤上的金鍍層有龜裂，也就說明黑鎳存在的可能性。

 

這些方法中，最方便快捷的應(yīng)該是第二種方法，簡單易行。有了這些手段，就能在ENIG電路板使用前及早發(fā)現(xiàn)問題，避免造成大量有可靠性問題的電路板組件的產(chǎn)生，從而將損失控制在最低限度。

而對(duì)于富磷層的產(chǎn)生，當(dāng)鎳鍍層中的磷鎳比例適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，主要是控制焊接工藝，控制焊接的時(shí)間以及焊接的溫度，將金屬間化物的厚度控制在最佳的1～2微米(um)左右，太厚的金屬間化物(IMC)產(chǎn)生的同時(shí)，必然也富集了過厚的富磷層。