化学镍金与电镀镍金表面处理焊盘的比较研究

化学镍金与电镀镍金表面处理焊盘的比较研究

罗道军贺光辉

中国赛宝实验室广州 510610，luodj@

摘要本文对比分析了化学镍金处理的焊盘与电镀镍金处理的焊盘的形貌、

结构以及润湿性能差异，并给出了使用这两类表面处理的优缺点以及针对相

应问题的预防控制措施。

关键词：化学镍金电镀镍金表面处理

引言

由于化学镍金（ENIG）表面处理以及电镀镍金表面处理的突出的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镍金表面处理的PCB。同时由于使用镍金镀层的焊盘可以邦定的同时还可以耐高温的老化，甚至在无铅工艺条件下可以经过2～3次的焊接后，未焊接的焊盘仍然可以保持很好的可焊性。而价格相对低廉的有机助焊保护膜（OSP）和热风整平处理（HASL）的合金可焊性涂层由于其不耐高温老化或是平整度不能满足日益增长的细间距安装的要求。因此，随着电子产品的小型化与无铅化以及人们对高可靠性的要求，镍金表面处理焊盘的印制电路板的使用将越来越广泛，但是选用化学镍金还是电镀镍金的表面处理，哪个更合适呢？本文将探讨化学镍金与电镀镍金的差异以及各自存在的可靠性风险，以及预防风险的措施。

1 化学镍金与电镀镍金的基本工艺

化学镍金最大的优点之一就是工艺相对简单，只需使用两种关键的化学药水，即含有次磷酸盐与镍盐的化学镀液与酸性金水（含有KAu（CN）2）。工艺一般先经过酸洗、微蚀、活化、化学镀镍、清洗、浸金等过程，关键的步骤是在铜焊盘上自催化化学镀镍，通过控制时间和温度以及pH值等参数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完全覆盖，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。这就是说化学镍金的工艺相对容易控制，这时的镀金层往往只有约0.03～0.1微米的厚度，且各种形状或各部位的镀层厚度都均匀一致。

电镀镍金是通过施电的方式，在焊盘的铜基材上镀上一层低应力的约3～5微米的镍镀层，然后再在镍上镀上一层约0.01～0.05微米的薄金，在电镀液一定的情况下，通过控制电镀的时间来实现对镀层厚度的控制。其它的工艺环节如清洗、微蚀等基本与化学镍金的无异。化学镍金与电镀镍金做的工艺最大的差异就在镀液的配方以及是否需要电源。对于涂了阻焊膜的裸铜板通常不容易使每个需要镀的区域都加上电了，则这时只能使用化学镀。

无论是化学镍金或是电镀镍金，对用于焊接的镀层的实质而言，真正需要关注的是镍镀层，因为真正需要焊接形成金属间化物的是镍而不是金，金仅仅是为了保护镍不被氧化或腐蚀，金层在焊接一开始就溶解到焊料之中去了。因此，组装工艺前加强对各镀层表面处理的质量检查或控制是非常必要的。由于工艺的差异，导致了两种镀层质量的差异、特别是在结构、硬度、可焊性等方面存在明显的不同。

2 试验研究

本文选择了生益电子提供的化学镍金以及电镀镍金处理的手机主板各一批，使用XL.30&DX-4i型号的扫描电镜和X射线能谱仪（SEM&EDS）分别观察了两种工艺所生产的镍金镀层的微观结构；同时使用SAT-5100的可焊性测试仪依照IPC/J-STD-003B标准测试这两种类型的PCB焊盘的可焊性；再用型号为430SVA的显微维氏硬度计来分析比较化学镍金与电镀镍金的镀层的硬度差异；下一步将扩大研究样品的范围，并使用XRD对镀层的结晶状况进行分析，主要关注导致可焊性差异的原因。

3 结果与讨论

3.1 外观及结构的差异

用电镜在不同倍率下分别观察化学镍金与电镀镍金镀层的表面结构差异。由于在焊接时真正形成合金层的是金下面的镍层，因此用温和的氰化物蚀金水去除金层（不腐蚀镍层）后，再用电镜观察并比较两种工艺条件所获得的镍镀层的微观状况。图1是不同放大倍数下金镀层表面的电镜照片，可见化学镍金与电镀镍金有显著的不同，前者有明显的不定形的结晶颗粒结构，后者则结晶细腻平滑。去金后镍镀层的外观结构与去金前的类似，见图2。造成这种结构的差异的原因与镀层的形成机理不同有关，化学镍金是通过自催化反应的方式沉积上去的镍底层，置换反应沉积底金层，化学反应产生的沉积层一般结晶颗粒大而呈不定形的非晶态。而电化学反应沉积的镀层结晶细腻而规则。

×500 化学镍金，金镀层结构×500 电镀镍金，金镀层结构

×5000 化学镍金，金镀层结构×5000 电镀镍金，金镀层结构

图1 不同倍率下化学镍金与电镀镍金的金镀层表面结构形貌的SEM照片

化学镍金的镍镀层外观（×2000）电镀镍金的镍镀层外观（×2000）图2 去金后化学镍金与电镀镍金的镍镀层的外观结构比较

3.2 可焊性的差异

在不少的文献报道中，都认为电镀镍金结晶细腻而硬度大，可焊性往往不如化学镍金的好焊，许多现场使用的情况也正好反映了这一习惯印象。而真正的情况如何呢？为此，本文按照IPC/J-STD-003B《印制板可焊性的技术要求》标准规定的方法，用SAT-5100的可焊性测试仪测试评估了来自同一供应商提供的化学镍金与电镀镍金焊盘的样品的可焊性。具体检测条件:

1)焊料组成 Sn96.5Ag3.0Cu0.5；；

2)焊料温度 255℃；

3)焊接时间 5s；

4)浸渍速度 10mm/s；

5)浸渍深度 0.2mm；

6)助焊剂类型 Flux2（松香：25％；异丙醇：74.61％；二乙胺盐酸盐：0.39%）。

代表性的检测结果见图3～图4。由图可见两种样品的润湿时间（零交时间）基本一致，没有明显差别，测试多个样本，零交时间的分布以及范围均十分接近。但是在润湿焊接后无论是2秒或是5秒的润湿力均有较大差别，化学镍金的润湿力明显要大于电镀镍金的。

图3 一个典型的化学镍金焊盘可焊性试验的润湿力-时间曲线图

（T0：0.48sec，F2：2.07mN，F5：2.17mN）