化学镍与浸镀金之考量

化学镍与浸镀金之考量
概说（General）
『化学镍金』是一种通俗说法，正确的名词应称为『化镍浸金』（Electroless Nickel and Immersion Gold: EN/IG）。

化学镍层的生成无需外加电流，只靠高温槽液中（约88℃）还原剂（如次磷酸二氢钠NaH2PO2等）的作用，针对已活化的待镀金属表面，即可持续进行『镍磷合金层』的不断沉积。

至於『浸镀金』的生长，则是一种无需还原剂的典型『置换』（Replacement）反应。

也就是说当『化学镍表面』进入浸金槽液中时，在镍层被溶解抛出两个电子的同时，其『金层』也随即自镍表面取得电子而沉积在镍金属上。

一旦镍表面全被金层所盖满後，金层的沉积反应逐渐停止，很难增加到相当的厚度。

至於另一系列的『厚化金』，则还需强力的还原剂方可使金层逐渐加厚。

一般而言，化镍层厚度几乎可以无限增长，实用规格以150~200微寸为宜，而浸镀金层的厚度则只2~3微寸而己，厚化金有时可达20~30微寸，当然价格也就另当别论了。

後表1即为化学镍（美式说法称为无电镍）之一般物性。

表1.化学镍（无电镍）镀层之重要物理
事实上板面化镍金所形成的焊点（Solder Joint），其对零件之焊接（Soldering）强度（Strength）几乎全都建筑在镍层表面上，镀金之目的只是让镍面在空气中受到保护不致钝化或氧化，维持起码的焊　性（Solderability）而已。

金层本身完全不适合焊接，其焊点强度也非常不好。

在高温焊接的瞬间，黄金早已与　组成不同形式的『介面合金共化物』（IMC,如AuSn,AuSn2,AuSn4等）而逸走，因而真正的焊点基础都是著落在镍面上，焊点的强弱与金无关。

也就是说焊　（Solder）中的
纯　（Tin），会与纯镍形成Ni3Sn4的IMC（Intermstallic
Compound）。

薄薄的金层会在很短时间内快速散走，溜入大量的焊　中。

金层根本无法形成可靠的焊点，而且金层越厚时溶入焊　中也越多，反而使整体焊点强度为之变脆变弱。

硬度（Hardness）与打线（Wire Bond）
化学镍本身约含磷份6%~10%，此磷含量会影响到硬度。

若此化学镍金层当成『打线』（Wire Bond）的基地时，则镍层的硬度颇具关键性。

硬度不足加上打线的高温，会使得板材软化中（超过Tg）用力压下打成『扁点』（Wedge Bond）时，其所亟需的支撑力难免会有所欠缺，进而使得对『结合强度』（Bond Strength）的拉力试验无法及格。

一般焊接用途的化镍层并不讲究硬度，但汽车零件中某些指定镀化学镍而要求耐磨者，则对硬度丝毫不能含糊。

目前开发的『镍钯金』三合一化学镀层，在打线方面的效果要比现行的『镍金』双层更好。

疏孔度（Porosity）
由於浸金之厚度很薄，难免会有疏孔（Pore）存在，致使底镍未被完全保护。

一旦停留在湿气环境中稍久，则将产生『贾凡尼』效应（Galvanic Effect）式的电化学腐蚀。

也就说当疏孔面对电解质环境时，黄金层将扮演高贵而不腐蚀的『阴极』角色，但却强迫底镍层扮演加速腐蚀的『阳极』倒霉份子。

一般EN/IG层根本无法通过『硝酸蒸气』对疏孔的检验法（IPC-TM-650,2,3,24,2），但却可采用『红血盐』试纸法（Potassium Ferricyanide）去检测疏孔所出现的蓝点。

在100倍放大观察下，良好的化镍浸金层，其所出现的蓝点不可超过10 pores/mm2。

恶劣环境放置太久造成镍锈自疏孔向外冒出时，将会使得焊　性变差。

且该种镍锈也无法被一般助焊剂所能清除，即使勉强将零件脚『焊
接』在有问题的『化学镍金』焊垫上，也是一拉就掉根本未焊牢，因其间并未形成IMC之故，只是一种冷焊或假焊而已。

甚至用力拉脱後还常见到底镍层已经出现黑色的氧化镍。

因而化镍浸金流程的最後清洗，一定要用良好的热纯水去彻底漂洗清洁疏孔的化学品，并随即迅速热风乾燥与密封包装，以保护其焊　性不致提早结束。

之後还需要避免任何酸硷接触的机会，且当焊　性不佳时也不可采用酸洗，连焊接所用较强之助焊剂也应彻底除尽，避免在疏孔处继续底镍的加速锈蚀。

否则焊点强度减弱随时都会脱落，甚至分开所见之底镍多半已经变黑。

高频讯号（High Frequency Signal）
微波通信机器或高频电子产品（10 GHz以上）中，其所用电路板最好不要镀EN/IG，也不要采用电镀镍。

因在集肤效应（Skin Effect）下，高频讯号绝大部份是经导线的表皮所传输的。

铜的电阻系数最低（1.7m W cm），电镀镍不好（7.4m W cm），而化学镍更差（55~90m W cm），故镍层会造成高频讯号（Signal）能量方面的损失（Signal Loss），不可不事先考虑。

若必须镀镍时其厚度也应低於2.5m m（100m in），以减少功能方面的异常，一般业者对比了解者不多。

阻隔效应（Barrier Effect）
电镀镍或化学镍，对金与铜之间的迁移（Migration）或扩散（Diffusion）都具有阻绝效应，後者尤佳。

当板子处於高温环境中时，金与铜的『相互往来』将会增快。

以板边金手指而言，其『接触电阻』（Contact Resistance）的品质对整体功能颇具举足轻重的地位，一旦金层遭铜侵入，整体功能自然受损。

下表2即为各种镍层厚度经1000小时高温考验後，其接触电阻值劣化的对照数据。

表
由表2之实验数据可知，低温环境中铜与金之间的迁移并不会造成『接触电阻』的障碍，甚至无镍层的存在也不致发生太大的麻烦。

常用的大哥大手机与呼叫器等，其化镍厚度只需80m in即已足够达到阻隔效应。

现实中一般规格对镍厚都要求在150m in以上，似嫌稍苛。

化镍层除了能隔绝铜与金之间的不良『互动』，而将金面的『接触性』维持良好外，还可阻止焊　性的劣化。

因当金层直接触及铜面时难免不会有少许的铜份混入『金层』，如此一来其焊　性将会迅速恶化。

化学镍层在这方面的能耐要比电镀镍层高出2~10倍之多，相信是拜镍磷合金之所赐。

表3.高温中铜成份穿过各种厚度化镍层向金层渗透的结果
事实上当焊接完成後，其焊点结构成也就开始了缓慢的老化，例如铜与　之介面间会在焊接瞬间形成Cu6Sn5之良性『介面合金并化物』（IMC），也唯有如此才得以具备良好的机械强度（Mechanical Strength）。

不幸在铜与　的缓慢互动迁移之下，终究会产生恶性的Cu3Sn以致焊点强度衰退。

这种老化现象不但无法避免，且当环境温度愈高时衰老也愈快。

表4.各种金属溶入焊　之溶速　
化两者速度均极快，致使两者之间根本不能共筑可靠的焊点。

凡当『化镍浸金』之处理层用於焊接时，其焊点完全是生长在化镍层面上，形成Ni3Sn4的IMC焊点介面，浸金层只是做为化镍表面的保护皮膜，避免生锈维持其应有的焊　性而已。