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金屬層表面處理工藝-化學(xué)鎳金

閱讀：698 發(fā)布時(shí)間：2023-12-26
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基本原理：印制電路板焊盤(pán)表面須進(jìn)行涂覆處理以保護(hù)連接盤(pán)銅面不被污染和氧化，保證元器件焊接可靠性，目前焊盤(pán)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(wú)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(shí)際使用中存在縮錫、黑盤(pán)、金脆、腐蝕等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響電子產(chǎn)品質(zhì)量。

黑盤(pán)：所謂黑盤(pán)，主要是指金浸鍍過(guò)程中由于鎳磷層被過(guò)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(kāi)裂的一種缺陷。由于在開(kāi)裂后焊盤(pán)表面多呈深灰色或黑色，因此俗稱黑盤(pán)。
黑盤(pán)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(jiàn)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(kāi)裂發(fā)生在IMC層與Ni3P之間，斷裂后的鎳層表面平坦，基本無(wú)焊料殘留，且可見(jiàn)明顯泥裂，如圖3所示。

圖1 ENIG 鍍層黑盤(pán)發(fā)生區(qū)Ni表面及縱向腐蝕特征
圖2 ENIG 鍍層黑盤(pán)發(fā)生區(qū)界面化合物形貌
圖3 ENIG鍍層黑盤(pán)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(pán)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(guò)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(pán)的發(fā)生，越不平坦越容易造成浸金藥水對(duì)鎳晶界的過(guò)度攻擊而形成黑盤(pán)。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(pán)的發(fā)生。但是，目前對(duì)于黑盤(pán)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(pán)的可焊性；以及通過(guò)顯微維氏硬度計(jì)來(lái)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(wú)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。

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(chǎng)發(fā)射掃描電鏡Apreo2鏡筒內(nèi)完善的“三位一體式”探測(cè)器系統(tǒng)，可以在不同的探測(cè)器下獲得更多的樣品表面信息，如下圖5。
圖5 T2探測(cè)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(pán)特征、測(cè)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(jiàn)問(wèn)題及抑制措施.
3.https://mp.weixin.qq.com/s/A6mNbLZhNJ10jQCFmb-K1A.

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