ENIG焊盘的两大问题及其预防

ENIG焊盘的两大潜在问题及其预防

罗道军

中国赛宝实验室广州 510610

摘要本文分析总结了化学镍金处理的焊盘容易发生的两大潜在问题，即镍

腐蚀形成的黑焊盘问题以及焊点中富磷层生产问题的原因、危害，并给出了

相应的预防控制措施。

关键词： ENIG 黑焊盘富磷层

引言

随着电子产品的小型化与无铅化，同时由于化学镍金（ENIG）表面处理突出的简单工艺以及成本控制方便，还有可焊性好和平整度好的优点，使得越来越多的电子产品使用ENIG 的表面处理的PCB。但是在我们日常的工作中，常常发现这种表面处理容易出现镍腐蚀以及富磷层的两大致命的问题，这类问题一旦发生，常常造成大量批次性的焊点可靠性问题。因为这两类问题非常隐蔽，一般不易觉察，一旦发现它的问题的时候大多已经迟了，已经造成损失了。本文将探讨这两类问题产生的原因以及预防控制的措施。

ENIG的基本工艺

ENIG最大的优点之一就是ENIG的工艺简单，只需使用两种化学药水，即化学镀镍与酸性金水。工艺一般先是在铜焊盘上自催化化学镀镍，通过控制时间和温度来控制镍镀层的厚度；再利用镀好的新鲜镍的活性，将镀好镍的焊盘浸入酸性的金水中，通过化学置换反应将金从溶液中置换到焊盘表面，而部分表面的镍则溶入金水中，这样只要置换上来的金将镍层覆盖，则该置换反应自动停止，清洗焊盘表面的污物后工艺即可完成。这时的镀金层往往只有约0.05微米的厚度，这就是说ENIG的工艺非常容易控制且成本相对较低（与电镀镍金相比）。显然表面这层薄薄的金层只能起着对镍的保护作用，但一旦保护不了镍，导致镍腐蚀氧化了或被金水过渡浸蚀，即形成了所谓的黑镍（或黑焊盘）现象，而此时焊盘的表面用肉眼看来还是金光闪闪的金子，则非常容易欺骗用户。因为，真正需要焊接形成金属间化物的是镍而不是金，金层在焊接一开始就溶解到焊料之中去了。因此，组装工艺前加强对ENIG表面处理的PCB的质量检查是非常必要的。

黑镍的形成与危害

镍镀层的质量主要取决于镍镀液的配方以及化学镀的温度的维护与控制，当然还与酸性金水处理的工艺有一定的关系。该化学镀镍的工艺是通过在焊盘表面次磷酸盐与镍盐的自催化反应得到镀层的，镀层中含一定的磷，许多研究表明，镀层中磷的正常比例应该在7％～10％之间，如果镀液的配方得不到及时的维护或温度失去控制，磷的含量会偏离这个正常的范围，当磷含量偏低的时候，镀层非常容易受到腐蚀，这种腐蚀将首先来自酸性的金水的浸蚀；而当磷含量偏高的时候，形成的镀层的硬度明显增加，导致其可焊性下降，也会严重影响可靠焊点的形成。如果镍镀层中磷含量偏低，而化学置换反应镀金的时候又没有处理好，得到大量裂纹的金镀层的话，酸性金水在后续的清洗工序中必然不容易除去，导致在空气中

暴露的镍镀层腐蚀加速，最终形成黑镍，即所谓的黑焊盘的产生。典型的黑焊盘的照片见图1，黑焊盘的横截面见图2，从横截面的照片上可以看到典型的纵向裂纹，是为黑镍的典型特征。

图1 典型ENIG 黑焊盘中的镍镀层表面 图2 ENIG 黑焊盘的横截面

当黑镍生成后，ENIG 的表面的金镀层并没有明显的变色，容易给人造成焊盘的表面处理仍然良好的假象。当这种焊盘进行焊接的时候，作为可焊性保护层的金迅速溶解到焊料中去，而被腐蚀氧化了的镍则不能与熔融焊料形成合金化，导致焊点可靠性严重下降，稍受外力即发生开裂。这种黑镍造成的典型的焊点开裂状况见图3。

a

b

图3 黑镍造成的典型的焊点开裂（a ：焊点整体，b ：开裂的局部）

富磷层的形成与危害

ENIG 处理的焊盘，在焊接的工艺中，真正与焊料形成合金层的是ENIG 中的镍镀层，典型的金属间化物合金是Ni 3Sn 4，而镍镀层中的磷是不参与金属化，但是在镍层中，磷占有一定比例并且均匀分布的，这样一来，在镍参与合金化后局部多余的磷将会富集下来，集中在合金层的边缘形成富磷层，如果富磷层足够的厚，其强度将大打折扣，在焊点受到外来的应力时，富磷层将是首先破坏的薄弱环节，这时焊点的可靠性必然明显受到影响。特别是在高热容的无铅工艺过程中，如果工艺控制不良，金属间化物常常较厚，导致富余的磷更多，富磷层就越发明显，焊点的可靠性就面临危险。典型的富磷层见图4中的金属间化物与镍镀层之间的黑色地带，该黑色带状区域可以用能谱（EDS ）分析证实其含有极高含量的磷。大腐蚀发生位置

黑带与纵向裂纹

量的失效案例证明，富磷层的存在是焊点开裂失效的一个主要的失效原因。

a b

图4 ENIG焊点中的典型的富磷层（a：镍层同时兼有腐蚀；b：无腐蚀）

黑镍与富磷层的预防与控制

虽然黑镍的形成以及富磷层的出现具有很强的隐蔽性，一般手段难以发觉和预防。但是，当我们清楚其产生的机理后，就可以很好的找到预防及控制的办法。

对于黑镍的形成，制造阶段主要是要做好镀液的维护以及工艺温度的控制，使镀层中的镍磷比例处于最佳状态。酸性的金水也需要很好的维护，其腐蚀性过强时应该及时调整。对于用户而言，最好的手段是使用扫描电子显微镜（SEM）对焊盘的表面处理作表面观察，主要检查镀金层是否存在裂纹，并用EDS分析镍镀层中磷的比例是否在正常范围内；其次，可以选择典型的焊盘来手工焊接并测量其焊点的拉脱强度，异常小的拉脱强度将证实可能存在黑镍；最后的一种方法就是对ENIG样品进行酸性气体腐蚀试验，如果发现其表面长出粉末或变色，说明焊盘上的金镀层有龟裂，也就说明黑镍存在的可能。这些方法中，最方便快捷的应该是第二种方法，简单易行。有了这些手段，就能在使用前及时发现问题，避免造成大量的有可靠性问题的线路板组件的产生，从而将损失控制在最低限度。

而对于富磷层的产生，当镍镀层中的磷镍比例适当的时候，主要是控制焊接工艺，控制焊接的时间以及焊接的温度，将金属间化物的厚度控制在最佳的1～2微米，太厚的金属间化物产生的同时，必然也富集了过厚的富磷层。因此，在导入无铅工艺的时候，需要做大量的工艺优化试验，除了从外观来检查焊点的状况以外，还需要从微观的角度来检查其可靠性以及潜在的可靠性风险。