鎳氧化對(duì)鍍金板可焊性影響的深入探討

張杰威 陳黎陽(yáng) 劉 攀（廣州興森快捷電路科技有限公司，廣東 廣州 510663）

鎳氧化對(duì)鍍金板可焊性影響的深入探討

張杰威 陳黎陽(yáng) 劉 攀
（廣州興森快捷電路科技有限公司，廣東 廣州 510663）

鍍金板的可焊性問(wèn)題，也是業(yè)界經(jīng)常面臨的難題。業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為是鎳層有機(jī)污染嚴(yán)重、阻焊殘留導(dǎo)致，而系統(tǒng)深入地研究很少。本文由生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)并結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)測(cè)試，從鎳氧化的角度，對(duì)鍍金板可焊性不良的機(jī)理進(jìn)行了深入分析，找到關(guān)鍵影響因素，為改善提供切實(shí)有效的理論依據(jù)。

鍍金板；可焊性不良；鎳氧化

1 前言

隨著電子元器件的日益精密化及表面安裝技術(shù)的不斷發(fā)展，印制板鍍覆層表面平整度要求更加嚴(yán)格，如OSP、沉錫、沉銀、沉金等工藝，都較好的解決了以往噴錫涂覆層表面平整度不良所帶來(lái)的貼裝困難問(wèn)題。全板鍍金做為諸多表面處理的一種選擇，其自身的特點(diǎn)而為一些客戶所推崇。

全板鍍金，也稱“水金”或“電鍍閃金”，是在鎳層表面鍍上一層非常薄的金層以保護(hù)鎳層，具有良好平整性、較小接觸電阻、適宜打金線，工藝流程短、生產(chǎn)控制簡(jiǎn)易等優(yōu)點(diǎn)，特別在應(yīng)對(duì)選擇性硬金工藝時(shí)，是目前行業(yè)內(nèi)比較成熟的大規(guī)模應(yīng)用生產(chǎn)的一種工藝。但是，由于水金工藝金層很薄，且以金層為抗蝕層，此工藝的可焊性問(wèn)題，也是業(yè)界經(jīng)常面臨的難題，如圖1所示。

圖1

因此筆者從鎳氧化的角度，對(duì)鍍金板可焊性不良問(wèn)題進(jìn)行深入探討。

2 鎳氧化的危害

鍍金板焊接貼裝是錫膏與鎳層結(jié)合形成錫鎳合金層，鎳本身具有良好的可焊性能，但鎳在氧化后，是否具有可焊性，氧化鎳對(duì)潤(rùn)濕性及可靠性的影響程度如何，需進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)考察。

2.1 氧化鎳潤(rùn)濕性能的影響

（1）試驗(yàn)樣品（表1）：制作兩塊只鍍鎳、不鍍金的潤(rùn)濕平衡標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試模塊樣品，考察潤(rùn)濕力差異。

表1

（2）采用潤(rùn)濕平衡測(cè)試，結(jié)果如圖2。

圖2

（3）小結(jié)：根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，氧化鎳不具有潤(rùn)濕性，對(duì)產(chǎn)品可焊性影響顯著。

2.2 氧化鎳焊接強(qiáng)度的影響

（1）實(shí)驗(yàn)樣品（表2）。

表2

（2）剪切力測(cè)試：焊點(diǎn)印錫膏后進(jìn)行剪切力測(cè)試，來(lái)考察其焊點(diǎn)的焊接強(qiáng)度差異。采用剪切力測(cè)試儀，各取10個(gè)焊點(diǎn)測(cè)試焊點(diǎn)強(qiáng)度，數(shù)據(jù)整理如圖3。從結(jié)果看，1#純鎳樣品焊點(diǎn)強(qiáng)度明顯大于氧化鎳樣品。

圖3

（3）小結(jié)：根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，氧化鎳對(duì)產(chǎn)品的焊點(diǎn)強(qiáng)度影響顯著。

3 鎳氧化的機(jī)理分析

鍍金板是在鎳層表面鍍上一層非常薄的金層以保護(hù)鎳層，那么鎳是怎么被氧化的呢？對(duì)其鎳層氧化機(jī)理進(jìn)行淺析。

3.1 鎳氧化示意圖（圖4）

3.2 XPS測(cè)試驗(yàn)證

采用XPS測(cè)試，對(duì)樣品不同金層深度的鎳含量進(jìn)行量化，以驗(yàn)證高溫老化是否導(dǎo)致鎳層向金表面擴(kuò)散，結(jié)果如圖5所示。

圖5

圖4

小結(jié)：通過(guò)對(duì)比，無(wú)高溫老化的金層無(wú)鎳含量，經(jīng)過(guò)高溫老化后，鎳層在不斷地向金表面擴(kuò)散。

3.3 鎳氧化的形成條件

通過(guò)以上機(jī)理分析及測(cè)試驗(yàn)證，認(rèn)為鍍金板形成氧化鎳的條件主要由三個(gè)因素決定：鎳、鎳向金層的擴(kuò)散通道、鎳向金層擴(kuò)散的驅(qū)動(dòng)力。

（1）鎳的來(lái)源——底鎳或金層中夾雜的鎳離子，金層中的鎳離子更易于擴(kuò)散；

（2）擴(kuò)散通道——金層孔隙；

（3）擴(kuò)散動(dòng)力——高溫驅(qū)動(dòng)。

鎳氧化的產(chǎn)生是這三個(gè)因素共同作用的結(jié)果，在實(shí)際生產(chǎn)中，這三個(gè)因素都不能完全避免，因此，下面通過(guò)改變其中一個(gè)條件分別對(duì)這三個(gè)因素一一進(jìn)行驗(yàn)證，考察其對(duì)鎳氧化及可焊性的影響程度，以指導(dǎo)生產(chǎn)對(duì)關(guān)鍵因素進(jìn)行控制。

4 鍍金板鎳氧化的關(guān)鍵影響因素探討

4.1 金層孔隙率的影響

（1）實(shí)驗(yàn)方案：制作不同金層孔隙率的樣品，在同樣高溫老化條件下進(jìn)行潤(rùn)濕性對(duì)比測(cè)試；

（2）實(shí)驗(yàn)樣品：采用不同鍍金電流密度制作樣品，并通過(guò)鹽霧測(cè)試24 h考察兩者孔隙差異（圖6）。從鹽霧測(cè)試結(jié)果看，低電流密度樣品孔隙率較小。

圖6

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果：采用同樣高溫老化后，進(jìn)行潤(rùn)濕性測(cè)試，如圖7。

圖7

小結(jié)：從測(cè)試結(jié)果看，孔隙率對(duì)鍍金板鎳氧化和可焊性有顯著影響。

4.2 金層鎳含量的影響

（1）實(shí)驗(yàn)方案：制作不同金層鎳含量樣品，在同樣高溫老化條件下進(jìn)行潤(rùn)濕性對(duì)比測(cè)試；

（2）實(shí)驗(yàn)樣品：采用燒杯實(shí)驗(yàn)，通過(guò)改變金缸藥水中鎳離子含量來(lái)制作得到夾雜不同鎳含量的金鍍層，并通過(guò)XPS元素分析以驗(yàn)證。結(jié)果看，金缸鎳離子含量越高，鍍金板金層中鎳含量也越高。

表3

XPS元素分析。

（2）實(shí)驗(yàn)結(jié)果：采用同樣高溫老化后，進(jìn)行潤(rùn)濕性測(cè)試，如圖8。

圖8

小結(jié)：

（1）隨著鎳含量的上升，焊盤的抗老化性逐漸下降，當(dāng)經(jīng)過(guò)回流老化后，潤(rùn)濕力隨著鎳含量的下降而上升，當(dāng)鎳含量為0時(shí)，兩次回流后潤(rùn)濕性能保持良好。

（2）金層鎳離子含量同樣對(duì)鍍金板可焊性影響顯著。

4.3 高溫時(shí)效的影響

采用常規(guī)生產(chǎn)參數(shù)制作鍍金板，通過(guò)不同的高溫時(shí)效后測(cè)試樣品潤(rùn)濕性。小結(jié)：溫度越高，時(shí)間越長(zhǎng)，鍍金板可焊性越差，因此高溫時(shí)效對(duì)鍍金板可焊性有顯著影響。

5 總結(jié)

（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，鎳氧化是對(duì)鍍金板潤(rùn)濕性及焊接可靠性影響顯著；

（2）金層孔隙率對(duì)鍍金可焊性影響顯著，孔隙率越大，鎳越易氧化，可焊性也就越差。實(shí)際生產(chǎn)中，可通過(guò)提高金層厚度、降低鍍金電流密度來(lái)降低鍍層孔隙率；

（3）金層中鎳含量同樣對(duì)鍍金可焊性影響顯著，而金缸藥水中鎳離子含量是影響金層中鎳含量的關(guān)鍵因素。實(shí)際生產(chǎn)中，可通過(guò)加強(qiáng)鍍鎳后的水洗效果來(lái)改善，并且對(duì)鎳離子含量進(jìn)行有效監(jiān)控；

（4）高溫時(shí)效是加速鎳氧化的基本條件，從化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)講，溫度越高，氧化速率加快，化學(xué)反應(yīng)越劇烈。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)盡可能減少鍍金板生產(chǎn)過(guò)程中的熱時(shí)效。

[1]徐軍等. 電鍍鎳金流程對(duì)焊接性能影響因素分析.萬(wàn)方數(shù)據(jù).

[2]辛軍讓. 鍍金板可焊性不良成因分析及改善措施[J]. 印制電路信息. 2005,5.

[3]王豫明. 電鍍閃金表面處理可焊性探討[J]. 萬(wàn)方數(shù)據(jù).

[4]胡光輝.電鍍鎳金焊接強(qiáng)度不足的原因及對(duì)策[J].印制電路信息, 2005.

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張杰威，技術(shù)中心產(chǎn)品研發(fā)工程師。

The further discussion on the impact of nickel oxide on the solderability of plating gold

ZHANG Jie-wei CHEN Li-yang LIU Pan

The solderability problems of the plating gold plate were in existence at all times. Now the theory that the serious organic pollution of nickel and the remnant solder mask resulted in the poor solderability had been accepted universally in PCB industry, but in-depth analysis and research about the theory was less. The factor of effect and the mechanism on solderability problems was discussed in this paper by means of some experiments connected to manufacture from the angle of nickel oxidation, and it hoped to be the technology support to improve the discoloration problem.

Plating Gold Plate; Bad Solderability; Nickel Oxidation

TN41

A

1009-0096（2014）08-0051-04