ENEPIG表面处理技术应用研究

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ENEPIG表面处理技术应用研究

by 高峰、温怡芸 —华为技术有限公司工艺技术研究部

摘要：

为规避化学镍金黑盘（ENIG Black pad）造成的潜在失效风险，解决选择性 ENIG＋OSP设计限制及工艺流程复杂、成本高限制，特选择行业五支主流ENEPIG药 水，对ENEPIG镀层综合性能进行全方位评估，包括：镍腐蚀（黑盘）、透锡率、 焊点强度、按键性等。从最终评估结果来看，ENEPIG镀层是一种比较完美的镀 层，完全无黑盘失效风险，可替代ENIG规避黑盘失效风险，替代ENIG＋OSP实现成本的降低。

ENEPIG的英文全称是Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold。在传统ENIG生产线上 增加一个钯槽，即可实现ENEPIG工艺，工艺制作流 程时间相比ENIG无明显提高。采用氧化还原体系的钯，在 沉积过程中不会对镍层产生攻击，可以作为金沉积过程中 的阻挡层，规避镍腐蚀的产生。对于焊接来说，钯本身就 是就可以作为抗氧化层，ENEPIG金层的厚度相比ENIG来说 可以降低至

0.015um，由于金价远高于钯，所以ENEPIG综合成本相比ENIG并不会太高。

ENEPIG技术需求

ENEPIG完全无黑盘失效风险，可替代ENIG规避黑 盘失效风险，不存在ENIG+OSP设计限制条件，且可比成 本低8-10％，故从设计及加工综合考虑，ENEPIG可替代 ENIG+OSP，实现降低成本。

ENIG的黑盘风险

传统的ENIG表面处理，由于其存在的置换反应机理， 决定镍腐蚀（Nickel corrosion）不可避免，当镍腐蚀达到 一定程度时，会对焊点存在可靠性隐患，在IMC处发生脆性 断裂，出现黑色的断口，业界将此失效现象定义为“Blackpad＂。

终端手机ENIG+OSP工艺局限性

由于ENIG存在黑盘潜在失效风险，手机单板表面处理 有原先单一的ENIG方式切换为ENIG+OSP，ENIG 部位用于 手机按键/Key pad及屏蔽区域，选择性ENIG+OSP工艺流程如下：

选择性ENIG+OSP工艺局限性： -> 设计上：要保证一定的间距（12mil），存在高密 布线局限性问题；-> 制造上：工艺流程长，控制复杂，生产效率低， 产品良率低，总体成本高。

ENEPIG行业应用情况 由于较薄的钯层及较厚金层即可实现电镀软金（金 层厚0.3um）一样的打金线性能，故此项技术在IC 封装 Bonding及基板行业开始应用，但在PCB行业研究和应用则 刚处于起步阶段。

ENEPIG评估方案 选择行业五家主流ENEPIG药水供应商（编号1－5＃） ，其中3＃及5＃ 钯为氧化还原沉积，4＃钯为置换反应沉 积。测试项目主要包括：镍扩散、镍腐蚀、通孔透锡率及 焊点机械强度，并与ENIG（编号6＃）及OSP（编号7＃）进行对比。

试验结果及分析

镍扩散/迁移测试 采用Augertest，测试前样品经过5次无铅回流和 175℃/16h高温两种条件老化。由于4＃药水采用的是置换 钯，所得的钯镀层仅在0.015～0.05um左右，经过热老化 后，存在镍扩散/迁移至金表面，与常规ENIG表现接近；对 于采用氧化还原钯的1-3＃及5＃样品，钯镀层厚度在0.05- 0.20um，未发现镍迁移的现象。

根据以上分析可以看出，钯镀层厚度对镍扩散/迁移 有较大影响，ENEPIG的钯镀层最小厚度需控制在最小0.05um，可作为有效的阻挡层，保护镍层，可耐至少5次无 铅回流老化，不会发生镍氧化而影响镀层的可焊性。

镍腐蚀测试

1、剥金后镍表面扫描电镜（SEM）观测 将1－5＃ENEPIG样品剥金/钯及6＃ENIG剥金，并进 行SEM 观测分析，可以发现1－3＃及5＃样品未发现任何镍 腐蚀现象，表明钯采用氧化还原体系的ENEPIG药水，钯在 沉积的过程中，不会攻击镍层产生镍腐蚀，由于采用的是 氧化还原反应，钯可以沉积一定的厚度，有效地作为阻挡 层，防止金缸药水对镍的进一步攻击。

对于钯采用氧化还原体系的ENEPIG药水，在钯沉积的 过程中，发生的镍置换钯反应，对镍层会产生一定的腐蚀， 由于采用的是置换反应，钯沉积的厚度有限，并不能完全将 镍层覆盖保护，在金沉积的过程中，同时会发生镍置换金的 反应，对镍层进一步攻击，不可避免地存在一定的镍腐蚀 （4#样品为置换钯体系，剥金后发现金面与1－3＃/5＃样品表现差异较大，与ENIG接近）。

2、焊锡后断面SEM观测

将1－5＃ENEPIG样品剥金/钯及6＃ENIG进行焊锡，切 片断面SEM分析IMC的微观结构。对于钯采用氧化还原反应的ENPIG镀层，IMC结合优异，无任何Ni spike现象，对于4＃样品，IMC界面出现黑色微裂纹，经过SEM进一步放大，可以发现为连续的镍腐蚀，进一步证明采用置换钯的ENEPIG药水不可完全避免镍腐蚀问题。

PTH通孔透锡性能测试

分别将1－7＃样品经过5X LF回流老化后，再进行波峰焊透锡率测试，参考如下标准。

通过Auger test发现，经过回流老化后，氧化还原体系 的钯（厚度0.05～0.15um）完全可以作为阻挡层，阻止镍扩散迁移，一旦无镍迁移至Au表面，镍层不会被氧化，加以金的润湿性本身比较好，所以ENEPIG的通孔透锡高度可以达到100％，但ENIG存在镍扩散问题，所以润湿性相比ENEPIG要差，OSP 属有机膜，经过多次回流老化后，可焊性会变得更差（5＃样品手工加工，孔内ENEPIG镀层覆盖不良，故透锡率相对较差）。

焊点强度测试

设计SMD焊盘，焊盘尺寸0.40mm，采用Sn63Pb37和 SAC305植球，分别进行正常速度/高速

（1,000mm/S）焊 球拉力和剪切力测试，并与ENIG和OSP作对比，分析断口失效模式和表现特征。