化镍浸金焊接黑垫之探究与改善

化镍浸金焊接黑垫之探究与改善

TPCA技术顾问 白蓉生

本文原载于TPCA会刊第十五期

一、化镍浸金流行的原因

各种精密组件组装的多层板类，为了焊垫的平坦、焊锡性改善，焊点强度与后续可靠度更有把握起见，业界约在十余年前即于铜面逐渐采用化镍浸金(Electroless Nickel and Immersion Gold;EN/IG)之镀层，作为各种SMT 焊垫的可焊表面处理(Solderable Finishing)。此等量产板类有：笔记型计算机之主机板与通讯卡板，行动电话手机板，个人数字助理(PDA)板，数字相机主板与卡板，与摄录像机等高难度板类，以及计算机外设用途的各种卡板(Card，是指小型电路板而言)等。据IPC的TMRC调查指出ENIG在1996年只占PCB表面处理的2%，但到了2000年时却已成长到了14%了。以台湾量产经验而言，1000l之化镍大槽中，单位操作量（Loading Factor）已达1.5ft2/gal （360cm2/L），工作忙碌时两三天就需要换槽。ENIG之所以在此等困难板类大受上下游欢迎的原因，经过深入了解后计有下面四点：

图1.此为Errison著名手机T-28之HDI六层板（1+4+1），线宽3mil

雷射盲孔5mil，其基频区共装了一颗mini-BGA及4颗CSP，其

Via in Pad之垫径仅12mil左右，是1999被Prismark推崇的明星

机种。初上市时售价台币两万六，由于竞争激烈及电磁波太强，

2001年已跌价到了999元，灾情之惨重岂仅是唏嘘慨叹而已。

1.1 表面平坦好印好焊，小型承垫独领风骚

当板面SMT的细长方形、或圆形、或方形之焊垫越来越多、越密、越小时，熔锡与喷锡处理垫面之高低不平，造成锡膏印

刷不易与零件踩脚困难，进而造成热风或热氮气熔焊（Relow）

品质的劣化。此与十余年前盛行的通孔波焊，或后来垫面还够

大时的锡膏熔焊等皆大异其趣。彼时之垫面喷锡处理，无论在

焊锡（Solderablity）或焊点强度（Joint Strength）方面，

均非其它可焊处理之所能望其项背。良好的ENIG平均可耐到3

次的高温焊接，目前也是浸银或浸锡处理所无法相提并论的。

图2.由于微小球垫上ENIG之焊接不太可靠，加以黑垫又常发生，逼得

组装者对该等难缠的CSP微垫只好改采OSP皮膜，板价不断下降，做

法反倒更难，如此HDI高科技有何荣耀可言？甚至业者还将之改成

Super Solder 先上焊料，更是大材小用其心良苦。

然而如今手机板上所装的多颗mini-BGA或CSP，其众多微

垫之焊接，不但让组件商与组装者心惊胆跳，PCB业者更是草木

皆兵闻 退 变色(品质不佳退货赔偿)。目前手机板上一般行情

的CSP(此芯片级封装品系指垫距Pitch在0.8mm以下之BGA)，

其圆型承垫之Pitch仅30mil，而垫径更只有14mil而已；而且

小型QFP长方焊垫的垫宽更已窄到了只有8mil，如此狭小垫面

上所印的精密锡膏，如何能容忍先前喷锡的高低不平?

均匀平坦的可焊处理层，当然不是只有ENIG而已，曾经量

产者尚有OSP有机保焊处理，浸锡处理（Immersion Tin；最近

已出现量产之规模，后效如何尚待观察），化镍浸钯金处理，

甚至化学浸锡或化学锡铅等处理。其中除了OSP外，其它多半

由于制程不稳或后患太多而无法成其气候，实务上当然根本不

是化镍浸金的对手。且OSP的耐久性与抗污性又不如化镍浸金，

而免洗锡膏中活性甚弱的助焊剂，是否在焊前瞬间能及时除去

OSP之老化皮膜，而能顺利沾锡焊妥者亦大有问题。

图3.左为三四年前赫赫有名计算机心脏CPU，其FC式P-3封装载板腹底植针焊接之基垫情形。中为

较后版本的P-3载板腹面已完成植针与18颗解耦合电容器SMT焊接之画面。右为功能更强面积更小的P-4，其尚未植针与焊接电容的腹面。注意，此等FC载板之覆晶正背面中央，小小立锥之地竟然挤进400-1000颗的焊锡凸块，做为大号芯片的颠覆焊紧作用。于是双面ENIG之皮膜，共经正面印膏与熔成凸块，下游客户的覆晶焊接，及腹面焊接植针与电容器的贴焊等；至少须经三次以上的高温考验。任何毫厘疏失所造成的恐怖后果，绝不是割地赔款所能善罢甘休的。当然其ENIG动则弃槽之严酷管理，也只有这种单价5-9美元的量产载板才能玩得下去。此低单价高阶品的量产，早已不是养尊处优吃香喝辣的老外们所能染指，吃苦耐劳的台湾人，才正是价廉物美计算机普及的幕后功臣。

除了上述的一般焊接外，ENIG之垫面当然也可做为FC封装

板的球脚之植球基地，或锡膏成半球后的凸块（Bump）承垫。

1.2 垫面之接触导通一向优异别无分号

手机板除需零件焊接外，有些垫面还要执行摁键导通，黄

金不生锈正是Contact Connection的最佳候选。手机板的此种

摁键(Key Pad)做法，与LCD-TFT模块板上的ACF压着垫等不管

是直接布局在主板上，或是另采极薄的双面硬板或软板之搭配

主板，其触垫表面一律都要电镀镍金以降低其接触电阻。如今

高难度的HDI手机板在供过于求下，身价早已低落到了便宜的

商品，该等原先之正规电镀处理，也只好降格为一次级的化镍

浸金了。

图4.左为十年前业界所生产给Notebook用的LCD模块双面板，水平面上下共装16颗驱动IC，

垂直用5颗IC 。全板ENIG线宽与垫宽仅4mil，平行密集的跑线达五、六百条之多。此种板颗

现已改成纵横两长条形多层板（如上右图），但仍采 ENIG 做为ACF压着导通之皮膜。