化镍浸金焊接黑垫之探究与改善
镍腐蚀的影响因素与改善方法探讨
镍腐蚀的影响因素与改善方法探讨孟昭光【摘要】镍腐蚀是指发生在化学镍金的化镍、沉金过程中发生的金对镍的攻击过度造成局部位置或整体位置镍腐蚀的现象，严重者则导致“黑盘”的出现，严重影响PCB的可靠性。
报告通过评估分析镍腐蚀影响的因素，提出相应的改善方法，改善流程的稳定性。
%Nickel corrosion is occurring in the chemical nickel gold ofen in the process of nickel, heavy gold to nickel against excessive partial or whole location nickel corrosion phenomenon. In serious conditions, it will lead to the emergence of the "black PAD", the serious infiuence on the reliability of the PCB. This report assessed through the analysis of the influence of nickel corrosion factors, put forward the corresponding improvement method, and improved the stability of the process.【期刊名称】《印制电路信息》【年(卷),期】2014(000)009【总页数】5页(P32-36)【关键词】镍腐蚀;化镍;浸金;磷含量;NO3-离子;CI-离子;Cu2+离子【作者】孟昭光【作者单位】东莞五株电子科技有限公司，广东东莞 523290【正文语种】中文【中图分类】TN41沉金表面处理原理是镍溶解与金沉积同时发生化学置换反应，如果镍层结晶太快，镍层晶格大，晶格间的空隙就多而大，在金缸中进行金沉积时，对其攻击就严重；另外，当Ni层界面被金层密封而无镍可溶时，则金层的沉积亦将停止，但由于金层疏孔极多，在并不密实的结构下镍层仍可缓慢进行反应，金水继续攻击镍层，造成局部镍层表面及镍层结晶沟壑中过度氧化，沉上金层后，金层与镍层之间产生的一些氧化物，继续恶化之后形成黑垫；焊接时，镍层表面黑垫无法与焊料形成良好的IMC（界面合金共化物），从而使焊点强度低，造成虚焊或上锡不良。
昆山XY化金板回复报告疑点分析建议
（一）昆山XY电子科技有限公司所有回复
（疑点用蓝色标出，对应的说明在最后资料中用红色标出） 1、客户的上锡不良板发现在焊接过程中产生气泡和裂痕的现象，说明焊点内部焊盘局部存在污染,推断其不良极可能 是焊接前受到污染有关,污染的存在阻碍了焊料在污染处湿润焊盘,造成虚焊。从图片上看，镍层未见腐蚀。请参照图片 （071020--BGA切片sem5.jpg、071020--BGA切片sem6.jpg）
由于进行 ENIG 之镀金时，有机物也会共镀于金层中，并在 焊接中产生气泡等
（二）化学沉镍金焊锡性不良的资料
根据网上资料和相关化金板论文、著作摘抄整理
一、化镍浸金流行的原因
1 .表面平坦好印好焊，小型承垫独领风骚 2 .垫面之接触导通一向优异别无分号 3 .并具可打线能力而得以替代电镀镍金 4 .高温中不氧化可做为散热之表面
1.为了更进一步了解镍面的黑垫情形，刻意将镀后的金面再用氰化物溶液予以剥除，从已被金水咬过的底镍面上，原 子分别可看到下列四种不同的放大情形。
观察 NI 面是否氧化的常用方法
观察 NI 面 氧化的合 适倍率和 观察图片 （平面图 倍率大与 昆山欣溢 的 SEM 照 片）
3.2 美国ITRI（互连技术研究协会）针对ENIG的项目研究（略） 美国ITRI化镍浸金项目研究的结论（2001年3月) 1. 假设载板与组装之焊垫与锡球之品质，彼此都相同而暂不加以考虑时，则其焊点强度与可靠度将直接与 IMC 本身的 强度有关。由于喷锡与 OSP 制程在焊接中所形成的 IMC 为 Cu6Sn5，且又未遭其它不纯金属（如金、银等）的熔入而污染， 故所表现出的强度自然最好 2. 由前可知 ENIG 所得 Ni3Sn4 先天不足之 IMC 使然，即使强度再好也不会超过喷锡与 OSP。想要自黑垫的阴影中全身 而退也几乎不可能。在严加管理下并以缩短槽液寿命的方式来提高良率，虽非睿智之举，但亦属无可奈何之中的免强出招。 3.3 另篇黑垫论文 Black Pad：ENIG with Thick Gold and IMC Formation During Soldering and Rework（IPC 2001 论文集 S10-1-1）本文甚长共有 18 页且含 46 张照片，作者 Sungovsky 及 Romansky 均任职于加拿大之 Celestica 公司（CEM 厂商类），与前 ENIG 项目负责人 Houghton 皆属同一公司。本文亦从仿真实际板的焊接及拉脱着手，而仔细观察黑垫的成 因。并对 ENIG 的层次结构深入探讨，更值得的是尚就故障焊点与脱落组件提出了挽救的办法，是其它文献所少见。现将 全文部分要点整理如下： 1.化镍层是呈片状(Laminar)生长的瘤状结晶（Nodule Structure），其瘤径大小约 900-5000nm，分别有微结晶与非结 晶两种组织，与添加剂有直接关系。其添加剂多集中在瘤体的边界处，使得该接壤区域的自由能较高，以致耐蚀性变得较 差，因而十分容易受到金水的攻击。严重时甚至发生镍与金之间出现多层交互堆积的现象，进而妨碍 IMC 的生成并导致焊 点强度的脆弱不堪
【SMT资料】化镍浸金(化金板)焊接黑垫之探究与改善
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，其他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罢休的。
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。
化学镍金工艺制程简介及生产注意事项及改善方案
阳极反应Cu →Cu2++ 2 e阴极反应Pd2+ + 2 e-→ Pd 全反应Cu + Pd2+ → Cu2+ + Pd
11
化学镍
功能:在活化后的铜面镀上一层 合金,作为 功能 在活化后的铜面镀上一层Ni/P合金 作为阻绝金与铜之间 在活化后的铜面镀上一层 合金 作为阻绝金与铜之间 迁移（ 迁移（Migration）或扩散（Diffusion）的障蔽层 ）或扩散（ ）的障蔽层. 主成份 :(1)硫酸镍 -提供镍离子. 硫酸镍 (2)次磷酸二氢钠 -还原剂,使镍离子还原为金属镍. 次磷酸二氢钠 (3)错合剂 -形成镍错离子,防止氢氧化镍及 错合剂 亚磷酸镍生成,增加浴安定性,缓冲pH变动. (4)pH调整剂 -维持适当pH. 调整剂 (5)安定剂 -防止镍在胶体粒子或其他微粒子上还原. 安定剂 (6)添加剂 -增加被镀物表面的负电位,使启镀 添加剂 容易及增加还原效率.
镍槽生产中的注意事项
控制槽液循环量在一个适当的范 围，须将过滤机进出口阀都置于 “半开状态”。 半开状态”
6.
√
√
7.若需要切换槽位，须按要求重设镍 7.若需要切换槽位， 若需要切换槽位 自动添加装置相关参数， 自动添加装置相关参数，并调节 切换自动补充管路对应的“ 切换自动补充管路对应的“四个 阀门” 阀门”。 8. 移槽后如果出现镍浓度低于4.8g/L的状况，不能使用自动添加，具体手动 移槽后如果出现镍浓度低于4.8g/L的状况 不能使用自动添加， 4.8g/L的状况， 补充步骤如下： 补充步骤如下： 计算需要添加的CG CG的量A=(设定值-分析值） 镍槽体积/100(L) A=(设定值 计算需要添加的CG-1556 A的量A=(设定值-分析值）*镍槽体积/100(L) 计算需要添加的CG CG的量M=A*140/45(L) 计算需要添加的CG-1556 M的量M=A*140/45(L) 手动添加A 手动添加A和M
化学镍金问题原因分析与对策(教育训练)
2.307 2.9 0.2 1.39 5.3826
2.042 1.43 0.81 0.24 2.1052
4.464 9.67 1.42 1.08 14.6805
2.048 2.4 1.03 0.19 3.153
100
100
2006-4-17
上村化学(上海)有限公司
4
漏铜部位的EDS之mapping分析
Element (keV) mass% Error% At% K
CK
0.277 65.84 0.11 79.18 56.011
OK
0.525 16.75 0.53 15.12 16.0727
Al K
1.486 3.32 0.23 1.78 5.1639
Si K
1.739 3.58 0.25 1.84 6.1841
175
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
TAM-55-M10 TAM-55-M10 concentration[ml/L]
金浓度 Au concentration[g/L]
2006-4-17
上村化学(上海)有限公司
28
A u thickness [um]
针对现场角度的 化学镍金问题原因分析及对策
2006-4-17
上村化学(上海)有限公司
1
化学镍金常见的几种问题
1，露 铜 2，露 镍 3，掉 金 4，渗 镀 5，金 面 发 红 6，跳 镀 7，金 面 粗 糙 8，定 位 孔 沾 金 9，镍 金 厚 度 不 足
2006-4-17
上村化学(上海)有限公司
（A>5ml/L);造成药液反应停止。 调整药液并重新DUMMY处理。
化镍浸金焊接黑之探究与改善(篇)
3.3 另篇黑墊論文佳著Black Pad：ENIG with ThickGold and IMC Formation During Soldering andRework（IPC 2001論文集S10-1-1）本文甚長共有18頁且含46張照片，作者Sungovsky及Romansky均任職於加拿大之Celestica 公司（CEM廠商類），與前ENIG專案負責人Houghton 皆屬同一公司。
本文亦從模擬實際板的焊接及拉脫著手，而仔細觀察黑墊的成因。
並對ENIG的層次結構深入探討，更值得的是尚就故障銲點與脫落元件提出了挽救的辦法，是其他文獻所少見。
現將全文要點整理如下：1.綜合前人研究認為BGA的圓墊與QFP的長墊，其等銲點的脫裂與黑墊的發生，是一種難以捉摸的偶發性缺點（Sporadic Depect）。
發生的可能機理（Mechanism）係於置換反應中，當一個體形較小的鎳原子（氧化）溶走的同時，會有兩個體形甚大的金原子（還原）沈積，在晶格成長時會造成全面推擠性的差排（Misalignment），因而使得鎳與金的界面中出現很多的空隙疏孔，甚至藏有藥水等，容易會造成鎳面的繼續鈍化及氧化。
圖38.左為已有黑墊的銲點用牙籤即可推裂，摧枯拉朽莫此為甚右為移走零件腳後的墊面黑垢，災情嚴重下場淒慘。
2.3.置換反應中金水過度活躍又猛攻含磷較多（9%以上）的鎳層，以致在鎳金界面中形成的各種黑墊的惡果（即前文3.1中Biunno的發現）。
金層不宜太厚，否則對強度不但無益反而有害(拜託！老師傅們請千萬別再自作聰明自以為是了！)，即使未能全數溶入焊錫之中時，還會積存而以AuSn4參與黑墊的犯罪組織。
4.化鎳藥水管理不善，綠漆硬化不足，以致有機物溶入甚多，使得黑墊中不但為NixOy的主成份外，亦發現碳的含量頗高。
5.曾用XRF量測實驗板上QFP與BGA等總共239個焊墊，以及通孔環面的鎳厚與金厚，發現鎳厚的變化很大（75 in-224 in），金厚的落差也不少（2.2 in-7.5in）。
化镍金的工艺控制及常见问题与改善方法
化镍金的工艺控制及常见问题与改善方法
化学镍金又称化镍金、沉镍金或者无电镍金，化学镍金是通过化学反应在铜的表面置换钯再在钯核的基础上化学镀上一层镍磷合金层，然后再通过置换反应在镍的表面镀上一层金。
目前化镍金的沉金有置换和半置换半还原混合建浴两种工艺。
化学镍金主要用于电路板的表面处理。
用来防止电路板表面的铜被氧化或腐蚀。
并且用于焊接及应用于接触（例如按键，内存条上的金手指等）。
工艺控制
1、除油缸
一般情况﹐PCB沉镍金采用酸性除油剂来处理制板﹐其作用在于去除铜面之轻度油脂及氧化物﹐达到铜面清洁及增加润湿效果的目的。
它应当具备不伤Soider Mask（绿油）﹐低泡型易水洗的特点。
除油缸之后通常为二级市水洗﹐如果水压不稳定或经常变化﹐则将逆流水洗设计为三及市水洗更佳。
2、微蚀缸
微蚀的目的在于清洁铜面氧化及前工序遗留残渣﹐保持铜面新鲜及增加化学镍层的密着性﹐常用微蚀液为酸性过硫酸钠溶液。
洗过程中迅速氧化﹐所以微蚀后水质和流量以及浸泡时间都须特别考虑。
否则﹐预浸缸会产生太多的铜离子﹐继而影响钯缸寿命。
所以﹐在条件允许的情况下（有足够的排缸）﹐微蚀后二级逆流水洗之后﹐再加入5%左右的硫酸浸洗﹐经二级逆流水洗之后进入预浸缸。
3、预浸缸
预浸缸在制程中没有特别的作用﹐只是维持活化缸的酸度以及使铜面在新鲜状态（无氧化物）下﹐进入活化缸。
4、活化缸
活化的作用是在铜面析出一层钯﹐作为化学镍起始反应之催化晶核。
其形成过程则为Pd。
PCB化学镍金ENIG板焊接不良和回流焊不良的分析、区分——PCB测试手段综合运用实例探讨
保温区时，使 PCB 和元器件得到充分的预热，以防 PCB 突然进入焊接高温区而损坏 PCB
和元器件；在助焊剂活化区，焊膏中的助焊剂润湿焊盘、元件焊端，并清洗氧化层；当
PCB 进入焊接区时，温度迅速上升使焊膏达到熔化状态，液态焊锡润湿 PCB 的焊盘、元
件焊端，同时发生扩散、溶解、冶金结合，漫流或回流混合形成焊锡接点；PCB 进入冷
程中会迅速溶入锡体之中。所以黄金本身并未参与焊点的组织，其唯一的功用就是在保 护化镍层免于生锈或钝化，否则将不能形成IMC也无法焊牢。金层越厚熔入焊点的量也 将越多，反而会造成脆化以致焊点强度越糟也越不可靠。而焊接温度不足也会对焊接造 成非常大的影响。相关问题大致请见下表：
常见问题一览表
问题
问题产生分析
才较坚强和可靠。焊接良好的焊点切片将清楚的看到均匀的IMC层。如果焊接时焊接热
量不充足，虽然已经形成NixSny的IMC层，但由于热量不足会直接影响AuxSny的形成和Au 的扩散速度，导致Au未必完全熔入焊锡，那么此时的焊点强度将大打折扣。一旦收到外
力将很容易裂开。 所以由上可见：ENIG可焊层所形成的焊点是生长在镍层上，而浸金的薄层在焊接过
But Micro slice can still be used for the further observation of PCB production process, malfunction mechanism of PCB, malfunction mechanism of SMT welding, etc. or the demand on research development, but here the slice should be magnified at 400 to 500 times, even 1000 times. If necessary, X-RAY fluorescence spectroscopy, SEM, EDX should be used to verify because it couldn’t prove too much only by a slice image.
黑焊盘有关问题探讨及失效案例分析
黑焊盘有关问题探讨及失效案例分析本报编辑：韩双露时间: 2010-1-28 17:32:23 来源: 电子制造商情马丽利赛宝实验室分析中心摘要：本文从化学镍金的原理出发，探讨了黑焊盘的形成机理、影响因素及控制措施，并结合实际案例详细介绍了有关黑焊盘失效分析的思路和方法。
关键词：化学镍金黑焊盘失效分析Discussion for Black Pad //and// Failure Analysis for RelatedExampleThe No.5 Research Institute of MII, National Key Laboratory of Science //and// Technology on Reliability Physics //and// Application of Electrical Component, Guangzhou 510610, ChinaAbstract: In this paper, based on the process of ENIG, the mechanism of black pad formation has been presented in detailed. The reason //and// prevention have also been discussed.With the failure example related black pad, the failure analysis method has been introduced。
Key Words: ENIG Black Pad Failure Analysis1引言化学镍金（Electroless Nickel Immersion Gold， ENIG）作为PCB和BGA封装基板焊盘的表面镀层，目的是防止Cu基板的氧化并得到可焊接的表面。
ENIG除了可以提供良好的焊接性能和接触界面之外，其成本相对与电镀镍金来说也非常有优势[1]，但是随之产生的众所周知的黑焊盘（Black Pad）现象却是一个令众多制造商和用户头疼的问题。
化镍浸金工艺之黑盘特征、测试方法介绍及判定标准建议
化镍浸金工艺之黑盘特征、测试方法介绍及判定标准建议李伏;李斌【摘要】刚挠结合板是一种兼具刚性PCB的稳定性和FPC的柔软性的新型印刷电路板,其对恶劣应用环境具有很强的抵抗力,有较好的信号传输通路,并可实现不同装配条件下的三维立体组装,因此在医疗与军事设备和通讯方面有重要的应用,我国的线路板制造企业也正在逐步提高软硬结合板占总体产量的比例.软硬结合板因为材料特性与产品规格的差异,在设备的适用程度上将影响产品良率与稳定度,因此跨入软硬结合板的生产前须先考虑到设备的适用程度;为验证我公司的硬板设备制作软板的可行性,选取一款刚挠结合板作为样品试制作.【期刊名称】《印制电路信息》【年(卷),期】2012(000)010【总页数】7页(P60-66)【关键词】化镍浸金;黑盘;测试方法;判定标准【作者】李伏;李斌【作者单位】汕头超声印制板(二厂)有限公司,广东汕头515065;汕头超声印制板(二厂)有限公司,广东汕头515065【正文语种】中文【中图分类】TN41化镍浸金（ENIG，Electroless Nickel Immersion Gold ）表面处理具有平整度高、接触电阻低、耐磨性、耐热性好及贮存时间长等很多优点，使其兼可焊接、触通性、键合性与可散热等多种功能于一身，在SMT、BGA等平整度要求较高的表面贴装中得到了广泛的应用，尤其是有要求表面接触功能的PCB，成为带按键手机板及笔记本电脑主机板与通讯卡板的首选。
但ENIG工艺存在一个致命的先天不足，即容易产生黑盘，且出现黑盘时，多数都比较隐蔽，从外观上看板件并不会有明显降级迹象，因此很可能通过外观检查，导致不合格品流入客户端，并在装配后导致元器件焊点强度不足，最终导致功能失效。
由于黑盘会直接导致焊点可靠性问题，因此有些PCBA厂家甚至到了谈“黑”色变的程度，只要测试出有黑盘，便成为PCB拒收的理由，但是否所有的黑盘都会对焊接的可靠性造成影响，笔者认为还要区别对待，尤其是随着选择性沉金工艺的广泛应用，沉金焊盘对焊接可靠性的影响已大大降低。
化镍浸金量产之管理与解困-白蓉生
图 8.左图为某高级组装板中之大型 BGA 安装焊接区，外围 系孔环与圆垫之哑铃组合，其环边与垫边的绿漆，即属 “Copper Defined”类。但中心区铜面上的绿漆则却另属“S/M Defined”者。后者一旦微蚀过度，则将出现挖墙脚之不良横 向渗入，难免引发许多后患(另见图 30)。
有时 S/M 中并未异常氧化，但若前后联机的两道微蚀过度发 威时，也会在绿漆着落与铜面交界处，发生这种挖墙脚的情形。 而且这种粗心大意的“热叠板”（即使有隔纸之下），也常在其 它水洗烘干联机中不断发生，只是管理者难以发现而已，夜班毛 病尤其多多。
-4-
中国 PCB 技术网 网址：
电邮：pcbtech@
图 6 此为被压入微点状的绿漆残膜，所造成后续 ENIG 微露铜 的缺失。 左为 350 倍画面，右为 800 倍画面。可清楚看到露铜区内的刷痕，及 ENIG 冲到边缘围攻不进，却另往上空发展的生动外貌。且 EN 本身的球面结晶 也晶莹剔透粒粒可数。
2.5 绿漆显像不良──ENIG 露铜 绿漆显像不足常使铜垫上留有未能尽除的透明残膜（Scum），
此残膜中不但含有 Na2CO3 与消泡剂，并另有已溶入的绿漆成份， 一旦附着铜面而又遭后续之高温烘烤，就会将与铜面勾搭成为难 以去除的“错化物”（Complexing Compound），而不仅只是稀 松平常的氧化物（Oxides）而已。
==专注 PCB 行业==
-5-
中国 PCB 技术网 网址：
电邮：pcbtech@
就知道是否该洗该换了。任何看不见的 Scum 只要烘烤老化变质 （与铜金属发生错化反应）后，想要在正常流程中去彻底清除， 堪称机会不大。不过一般在喷锡板操作时，这种恼人的残膜反而 是芝麻小事一椿，高温强风与助焊剂的联手，甚至一次不够再加 一码下，早已灰飞烟灭无影无踪了。
化镍金焊接后产生黑垫的原因探究
化镍金焊接后产生黑垫的原因探究作者：丁民坚张尚成曾志生来源：《城市建设理论研究》2013年第04期中图分类号：G633.8 文献标识码：A 文章编号：化学沉镍金是一种表面涂层，它能让大多数的组装的要求,它具备抗氧化功能和十分平整的PAD表面,能广泛用于电子和通讯领域有，用途也有很多。
不过化镍金在焊接后有黑垫问题，这个问题让药水供应商、PCB制造商和下游的SMT客户一直很困扰，目前就化镍金焊接后黑垫产生原因这一问题，在PCB业界的定义比较模糊，本文将分析及探讨化镍金板焊接后出现黑垫产生的原因，通过在试验中对比进行。
1 前言化学沉镍金是一种表面涂覆的工艺，它是在表面贴装技术的发展后跟着发展出来的。
当代繁杂的印制板成品的表面需要具备很多种用途，所以在它生产的过程中，不但要求其焊垫要是小孔、细线、平整的，而且还要求其可焊性、表面的结合性和低的接触电阻良好。
化学沉镍金是一种表面涂层，它能让大多数的组装的要求,它具备抗氧化功能和十分平整的PAD表面,能广泛用于电子和通讯领域有，用途也有很多。
不过化镍金在焊接后有黑垫问题，这个问题让药水供应商、PCB制造商和下游的SMT客户一直很困扰，目前就化镍金焊接后黑垫产生原因这一问题，在PCB业界的定義比较模糊，本文将分析及探讨化镍金板焊接后出现黑垫产生的原因，通过在试验中对比进行。
2 分析镍腐蚀产生的原理在化学反应时金沉积与镍溶解一起产生生置换反应，在界面被金层密封导致无镍可溶的同时金层的沉积也会停止。
不过因为金层的疏孔很多，只要结构不密实还是可以进行缓慢的反应，在某些因素影响下金水的活跃性会过度，这种情况会导致局部镍面不规律的过度氧化，就算沉上金层，它和底镍之界面间也已经早就有一些很坏的氧化物存在了，如果继续恶化就变成了黑垫。
3 试验分析过程3.1镍腐蚀的影响与镍厚不同有关：将不同镍厚的镍面SEM进行比对以后可以得出，如果沉镍的时间越长，那么晶格也就越大，这样就可以减少金置换的时候对镍晶粒间的腐蚀。
化镍浸金焊接黑垫的探究与改善
化镍浸金焊接黑垫的探究与改善化镍浸金焊接黑垫是一种常用的电子器件制造工艺，其目的是提高接触面的导电性能和耐腐蚀能力。
然而，这种工艺在实际应用中存在一些问题，例如焊接黑垫与焊接金属之间的附着力不强，易发生剥离现象；同时，焊接黑垫内部的结构容易发生热胀冷缩的变形，使得其性能受到一定的限制。
本文将对化镍浸金焊接黑垫进行探究，并提出改善方案。
首先，焊接黑垫与焊接金属之间的附着力问题较为突出。
该问题主要是由于化镍浸金工艺在制备焊接黑垫时，金属表面存在一定的氧化膜，导致化镍无法与金属牢固结合。
为解决这一问题，可以采用预处理工艺，例如在金属表面进行酸洗、电解去氧、超声清洗等工序，以降低氧化膜的存在，从而提升附着力。
其次，焊接黑垫内部结构的变形对其性能造成一定的限制。
在进行焊接过程中，焊接黑垫受到高温加热和冷却的影响，会发生热胀冷缩的现象。
当温度升高时，焊接黑垫内部结构会膨胀，而当温度降低时，焊接黑垫内部结构会收缩。
这种热胀冷缩会导致焊接黑垫产生应力，从而影响其性能。
为改善这一问题，可以尝试两种方法。
首先，可以在焊接黑垫的制备工艺中添加一定的抗热胀冷缩剂。
这种抗热胀冷缩剂可以在高温下起到一定的填充作用，减少焊接黑垫内部结构的变形。
其次，可以尝试改变焊接工艺参数，如降低焊接温度或延长焊接时间，以减小热胀冷缩引起的变形。
综上所述，化镍浸金焊接黑垫存在附着力不强和内部结构变形的问题。
为解决这些问题，可以通过预处理金属表面、添加抗热胀冷缩剂和调整焊接工艺参数等措施来改善。
这些改进措施有助于提高焊接黑垫的性能，使其广泛应用于电子器件制造领域。
继续改善焊接黑垫的附着力问题，还可以考虑采用金属助焊剂的方法。
金属助焊剂是一种具有良好润湿性的液体或固体，可以在焊接过程中与金属表面发生化学反应，形成牢固的连接。
在焊接黑垫制备之前，可以在金属表面涂覆一层金属助焊剂，然后再进行化镍浸金的工艺，通过金属助焊剂的作用，可以大大提高焊接黑垫与焊接金属之间的附着力。
化镍浸金焊接黑垫之探究与改善下篇
亦属无可奈何之中的免强出招。
另篇黑垫论文佳着Black Pad：ENIG with ThickGold and IMC Formation During Soldering andRework（IPC 2001论文集S10-1-1）本文甚长共有18页且含46张照片，作者Sungovsky及Romansky均任职於加拿大之Celestica 公司（CEM厂商类），与前ENIG专案负责人Houghton 皆属同一公司。
本文亦从模拟实际板的焊接及拉脱着手，而仔细观察黑垫的成因。
并对ENIG的层次结构深入探讨，更值得的是尚就故障焊点与脱落元件提出了挽救的办法，是其他文献所少见。
现将全文要点整理如下：1.综合前人研究认为BGA的圆垫与QFP的长垫，其等焊点的脱裂与黑垫的发生，是一种难以捉摸的偶发性缺点（Sporadic Depect）。
发生的可能机理（Mechanism）系於置换反应中，当一个体形较小的镍原子（氧化）溶走的同时，会有两个体形甚大的金原子（还原）沈积，在晶格成长时会造成全面推挤性的差排（Misalignment），因而使得镍与金的界面中出现很多的空隙疏孔，甚至藏有药水等，容易会造成镍面的继续钝化及氧化。
图38.左为已有黑垫的焊点用牙签即可推裂，摧枯拉朽莫此为甚右为移走零件脚後的垫面黑垢，灾情严重下场凄惨。
2.3.置换反应中金水过度活跃又猛攻含磷较多（9%以上）的镍层，以致在镍金界面中形成的各种黑垫的恶果（即前文中Biunno的发现）。
金层不宜太厚，否则对强度不但无益反而有害(拜托！老师傅们请千万别再自作聪明自以为是了！)，即使未能全数溶入焊锡之中时，还会积存而以AuSn4参与黑垫的犯罪组织。
4.化镍药水管理不善，绿漆硬化不足，以致有机物溶入甚多，使得黑垫中不但为NixOy的主成份外，亦发现碳的含量颇高。
5.曾用XRF量测实验板上QFP与BGA等总共239个焊垫，以及通孔环面的镍厚与金厚，发现镍厚的变化很大（75 in-224 in），金厚的落差也不少（ in）。
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一、化鎳浸金流行的原因各種精密元件組裝的多層板類，為了焊墊的平坦、焊錫性改善，焊點強度與後續可靠度更有把握起見，業界約在十餘年前即於銅面逐漸採用化鎳浸金(Electroless Nickel and Immersion Gold;EN/IG)之鍍層，作為各種SMT焊墊的可焊表面處理(Solderable Finishing)。
此等量產板類有：筆記型電腦之主機板與通訊卡板，行動電話手機板，個人數位助理(PDA)板，數位相機主板與卡板，與攝錄影機等高難度板類，以与電腦週邊用途的各種卡板(Card，是指小型電路板而言)等。
據IPC的TMRC調查指出ENIG在1996年只占PCB表面處理的2%，但到了2000年時卻已成長到了14%了。
以台灣量產經驗而言，1000l之化鎳大槽中，單位操作量（Loading Factor）已達1.5ft2/gal（360cm2/L），工作忙碌時兩三天就需要換槽。
ENIG之所以在此等困難板類大受上下游歡迎的原因，經過深入瞭解後計有下面四點：圖1.此為Errison著名手機T-28之HDI六層板（1+4+1），線寬3mil雷射盲孔5mil，其基頻區共裝了一顆mini-BGA与4顆CSP，其Via in Pad之墊徑僅12mil左右，是1999被Prismark推崇的明星機種。
初上市時售價台幣兩萬六，由於競爭激烈与電磁波太強，2001年已跌價到了999元，災情之慘重豈僅是唏噓慨嘆而已。
1.1 表面平坦好印好焊，小型承墊獨領風騷當板面SMT的細長方形、或圓形、或方形之焊墊越來越多、越密、越小時，熔錫與噴錫處理墊面之高低不平，造成錫膏印刷不易與零件踩腳困難，進而造成熱風或熱氮氣熔焊（Relow）品質的劣化。
此與十餘年前盛行的通孔波焊，或後來墊面還夠大時的錫膏熔焊等皆大異其趣。
彼時之墊面噴錫處理，無論在焊錫（Solderablity）或焊點強度（Joint Strength）方面，均非其他可焊處理之所能望其項背。
黑焊盘之初步探讨
快速检测ENIG PCB焊盘有无黑焊盘失效的方法[3]
方法1：
先利用氰化物去除表面的沉金层，然后在放大镜或电子扫描显微 镜（SEM ）下观察镍层受腐蚀的情况；
ห้องสมุดไป่ตู้
方法2：
将样品制作成观察切片中镍层颗粒沉积层的晶体是否存在“齿型”的 纵向腐蚀的情况；
[3] 快速的检测沉镍金镍层“黑焊盘”现象的方法 <印制电路资讯>
黑焊盘之初步探讨
Prepared By Navy Yang 2010-12-16
黑焊盘失效特征[1]
1) 焊接前Ni 层表面存在腐蚀状裂缝, Ni层截面存在纵向腐蚀; 2) 焊接后的Ni 层截面纵向腐蚀裂缝进一步加剧, IMC 层与Ni (P) 层之间可见明显富P 层(P 含量为焊接前的2 倍或以上) ; 3)焊点开裂发生在IMC 层与Ni3P 之间, 断裂后的镍层表面平坦, 基本无焊料残留, 且可见明显泥裂。
[1]:周斌, 邱宝军 ENIG焊点的失效机理及镀层重工方法研究 半导体技术 第35 卷第7期. [2]:ZENG K J , STIERMAN R ,ABBOTT D , et al. Root cause of black pad failure of solder joints with electroless nickel immersion gold plating [C] ∥Proc of ITHERM’06. San Diego , CA , 2006 :1 11121119.
[2]:ZENG K J , STIERMAN R ,ABBOTT D , et al. Root cause of black pad failure of solder joints with electroless nickel immersion gold plating [C] ∥Proc of ITHERM’06. San Diego , CA , 2006 :1 11121119.
化金板异常及解决办法
沉镍缸要升高PH，用小于50%氨水调节，降低PH，用10%V/V硫酸调节。
所有添加都要慢慢注入，连续搅拌。
PH值测量应在充分搅拌时进行，以确保均衡的镀液浓度。
温度越高，镀速越快。
当镀厚层时，低温用来减慢针出现。
不操作时，不要把温度保持在操作温度，这会导致还原剂和稳定剂成分分解见下表：故障1：漏镀：在线路板边缘化学镍薄或没有镀上化学镍原因：1.1重金属的污染.1.2稳定剂过量1.3搅拌太激烈1.4铜活化不恰当改善方法：1.1减少杂质来源1.2检查维护方法,必要时进行改善1.3均匀搅拌,检查泵的出口1.4检查活化工艺故障2：搭桥：在线之间也镀上化学镍原因：2.1用钯活化剂活化时间太长2.2活化剂里钯浓度太高.2.3活化剂里盐酸浓度太低2.4化学镍太活泼2.5铜与线之间没有完全被微蚀2.6水洗不充分改善方法：2.1缩短活化时间2.2稀释活化剂,调节盐酸浓度2.3调节盐酸浓度2.4调节操作条件.2.5改善微蚀,微蚀时间稍长会更有利故障3：3、金太薄原因：3.1浸金的温度太低.3.2浸金的时间太短.3.3金的PH值超过范围改善方法：3.1检查后加以改善3.2延长浸金时间3.3检查后加以改善故障4：4、线路板变形原因：4.1化学镍或浸金的温度太高.改善方法：4.1降低温度.故障5：5、可焊性差原因：5.1金的厚度不正确5.2化学镍或浸金工艺带来的杂质5.3工艺本身没有错误5.4线路板存放不恰当5.5最后一道水洗的效果不好.改善方法：5.1金的最佳厚度是:0.05~0.1UM5.2参看1.15.3来自于设备和操作者的原因5.4线路板应存放在干燥凉爽的地方,最好放于密闭的塑料袋里5.5更换水,增加水流速度故障6：6、金层不均原因：6.1转移时间太长.6.2镀液老化或受污染.6.3金浓度太低.6.4浸金工艺中,来自于设备的有机杂质改善方法：6.1优化水洗并缩短转移时间.6.2化学镍重新开始6.3检查后加以改善,检查槽及过滤器,原材料是否合适,并应在使用前滤洗,简单碳处理恢复浸金工艺,首先进行试验故障7：7、铜上面镍的结合力差原因：7.1微蚀不充分7.2活化时间太长.7.3活化时间太高.7.4水洗不充分改善方法：7.1延长微蚀时间或提高温度.7.2减少活化时间.7.3降低温度7.4优化水洗条件故障8：8、金层外观灰暗原因：8.1镍层灰暗8.2金太厚改善方法：8.1 缩短微蚀时间性或降低温度8.2降低浸金温度缩短浸金时间故障9：9、镀层粗糙原因：9.1化学镍溶液不稳定9.2化学镍溶液中有固体颗粒改善方法：9.1调节温度9.2减少杂质来源,改善过滤故障10：10、微蚀不均匀原因：10.1清洗不充分10.2清洗剂老化或含有杂质10.3微蚀液老化(大于30G/L)10.4过腐蚀改善方法：10.1增加在清洗剂里的时间或添加清洗剂.10.2更换清洗剂.10.3更换,微蚀10.4缩短腐蚀时间。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
尤有甚者ENIG还可当成某些低价多层板上插拔动作的金手指用途，虽非合规之正道，但却也聊胜于无。
许多低成本DRAM 狭长卡板上无斜边之金手指，即采用此等 仿冒品式 的作法。
价码挂帅的各种商品，一切只好从简。
图5.此为现行热门LCD-TFT背光显示模块中长条多层板的一小段，其TAB所装驱动IC之外脚，须采ACF或传统焊接法，与此板之密集承垫完成互连，是目前业者的另一项ENIG的主力产品。
图6.此为计算机主机板上插接用的DRAM卡板。
早期工序采电镀镍金，现已降格改为廉价的ENIG制程，狗尾续貂情非得已。
图7.此为行动电话HDI手机主板背面之Key Pad按键区，也有业者另采专用的按键软板或薄板做为主板的搭配，是ENIG所无法被取代的必须功能。
1.3 并具可打线能力而得以替代电镀镍金许多 芯片安装板 (Chip on Board; COB)之承垫表面，需要对较粗(5-20 m)的铝线进行打线(Wire Bonding)工程，使芯片得可与电路板直接互连，而令组件的封装成本得以免除。
此种不太讲究固着力的场合，化镍浸金自然就取代了成本甚贵的电镀镍金了。
早期某些定时器，如电子表，电子表笔等，即采此种“降格”做法。
不过近年来此类廉价商品的制造基地，早已转移到中国大陆去了，其现行的做法甚至连ENIG在成本考量下也一并取消，出货时只要用软橡皮擦拭承垫的铜面，其打线后的拉力甚至还不逊于化镍浸金。
成本至上的原则下，此等更便宜的“无格”办法，当然就把相形见拙的“降格”政策取而代之了。
图8.左上为电镀镍金快速打细金线互连(Ball to Wedge)所用精密COB 之高阶多层板类；下左为低阶COB之双面板，下右为中阶COB的四层板，后二者均为慢打粗铝线（Wedge to Wedge）用的产品。
由于完工组件单价太低，故其承接皮膜也只好由电镀镍金改为ENIG了。
甚至许多大陆的台商，连ENIG也都再次省掉，而改成擦拭的裸铜板出货，黄鼠狼下耗子成何体统？1.4 高温中不氧化可做为散热之表面某些高功率的组件除其背面可加装散热之鳍片外，其腹底的板面区域亦可另设一些散热用的通孔。
此时其孔壁孔环即可实施化镍浸金处理，在免于氧化下协助积热的散逸，并可增加孔壁的机械强度，有如铆钉一般可使多层板的结构更为优化。
许多笔记型计算机板上CPU的承受区，或BGA式组件的焊接基地，或其它小型卡板上即采用这种全面性的ENIG散热孔。
图9.上三种六八层板，均采ENIG做为高功率多脚组件腹底通孔之散热用途。
由于镍金层对于铜孔的补强，使得互连兼散热或只做散热者，等长期任务皆可达成。
中图为当年TAB式Pentium-1之320脚CPU，采Super Solder法焊垫的十层板，其中央方块ENIG皮膜区，共有9.8mil的小孔256个，花费当然很贵。
为了降低成本，干脆打掉所有窗棂改成喏大个方门（右图），不但便宜而且散热还更方便。
奇怪，早干嘛去了？二、化镍浸金失宠的背景ENIG兼具可焊接、可触通、可打线，与可散热等四种功能于一身，一向是各种密集组装板类的宠儿，并早已成为其它表面处理所无法取代的地位。
曾几何时，当笔记型计算机之主机板与后起的电话手机板上，其BGA或CSP焊垫既多又小之际，ENIG即逐渐发生焊锡性的欠佳，焊点强度（JointStrength）不足，焊点后续可靠度低落，甚至焊点裂开分离后，还会出现黑色镍垫（Black Pad）的种种的灾难，均令生产者又恨又爱，无词以对有苦难言。
图10.左为ENIG焊后最常发现黑垫的灾区，集中在BGA组件腹底组装板的球垫上，手机板上CSP的微垫更加糟糕。
右为“能谱仪”ESD分析黑垫中发现正常镍面的含磷量为Wt4.6%，而黑带区却高达9.8wt%。
美国业者(多半为下游组装者)为了从根本上通盘改善ENIG的品质起见，著名的ITRI(互连技术研究协会)曾在1997.8月组成了一个项目研究改善的联盟（Consortium），共有22家相关业者参与(PCB及PCBA业者与药水供货商)，希望能在特殊考试板(Test Vehicle)的小心仿真下，找出故障失效（Failure）的真正原因。
然而5年来虽经众人不断努力，非但所得有限而且评比上也乏善可陈。
经数度IPC Show之Proceedings以及其它期刊中，已发表20多篇的大型论文中，实在看不到其真正原因与彻底解决的办法，细读之余仍然是一头雾水混沌难清。
唯一可行的笨方法，就是缩短化镍与浸金等槽液的使用期限，至于其等减寿的幅度如何，则端视其产品的位阶文件次而定。
笔记型计算机主板所采用的ENIG，三四年前许多台湾有名的大厂，均发现过后续偶发性的焊点强度不足，焊后一两个月甚至更短的时间内，即发现少许焊点裂开及镍面发黑的Black Pad问题。
其惨遭滑铁卢割地赔款之痛苦历史，至今余悸犹存。
瘟疫所及敢说无人无之。
某些天真到近乎无知的下游客户与外行的PCB业者，起初竟以为黑膜是碳成份的累积所致，因此还劳师动众认真检讨不已，其之大胆程度实在不敢恭维。
其实此黑膜是氧化镍(NixOy)之复杂组成，根本原因是化镍表面在进行浸金置换反应之际，其镍面受到过度氧化反应(金属原子溶成金属离子其原子价升高者，称为广义的氧化)，加以体积甚大金原子的不规则沉积，与其粗糙晶粒之稀松多孔，形成底镍续经“化学电池效应”(Galvanic Effect亦称贾凡尼效应)的强力促动，而不断进行氧化老化，以致在金面底下产生未能溶走的“镍锈”所继续累积而成。