ENEPIG表面处理技术

ENEPIG表面处理技术应用研究

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。

1、焊球拉力测试（速度0.5mm/s，Sn63Pb37）

采用Sn63Pb37焊料，对比在速度0.5mm/s条件下的起拔，1-3＃及5＃ENEPIG与OSP接近，4＃样品5次回流后，部分样品出现IMC界面断裂，6＃ENIG出现脆性断口的比率较高。

2、焊球剪切力测试（SAC305）

焊球剪切力测试结果与焊球拉力测试结果类似，1-3＃及5＃优于4＃和5＃，与7＃接近。

手机按键性能测试

将测试板组装成整机，以5-7N的压力、56+/-5次/min速度进行按键，规格要求为80万次，不可出现按键不良，测试后手机按键的手感良好。最终结论为通过，其耐磨性满足手机按键耐久性要求，测试后按键上没有出现明显的磨损痕迹。