金層厚度對(duì)沉金PCB焊錫延展性及焊點(diǎn)可靠性的影響

李伏，李斌（汕頭超聲印制板公司，廣東 汕頭 515065）

金層厚度對(duì)沉金PCB焊錫延展性及焊點(diǎn)可靠性的影響

李伏*，李斌
（汕頭超聲印制板公司，廣東 汕頭 515065）

通過錫球延展性、常規(guī)可焊性、黑盤和焊盤拉脫強(qiáng)度測(cè)試驗(yàn)證了金層厚度對(duì)沉金（ENIG）印刷電路板（PCB）焊錫延展性的影響，并用掃描電鏡評(píng)估了金屬間化合物（IMC）。結(jié)果表明，金層越厚，焊錫延展性越好。但金層只起保護(hù)鎳層的作用，沉金 PCB焊點(diǎn)的可靠性建立在IMC基礎(chǔ)上，只要能在鎳層與焊料之間能形成良好的金屬間化合物，即可保證焊點(diǎn)的可靠性。另外，金層越厚，黑盤的風(fēng)險(xiǎn)越高，且有可能引起金脆問題，因此不能一味地追求沉金層的厚度以提高焊錫延展性。

電路板；沉金；厚度；焊錫延展性；金屬間化合物；可靠性

First-author’s address: China Circuit Technology （Shantou） Corporation， Shantou 515065， China

沉金也叫無(wú)電鎳金或沉鎳浸金，是一種在印制線路板（PCB）裸銅表面涂覆可焊性涂層的工藝，其集焊接、接觸導(dǎo)通、打線、散熱等功能于一身，滿足了日益復(fù)雜的PCB裝配焊接要求，受到PCBA（printed circuit board assembly，即PCB裝配）客戶的廣泛親睞。但在實(shí)際裝配過程中，偶爾也有客戶反映沉金焊錫延展性差，進(jìn)而懷疑沉金板件存在可焊性不良的問題。圖 1是某客戶反饋的沉金焊錫延展性差的圖片，從中可見錫膏在屏蔽框位置表現(xiàn)出較明顯的延展性差異［其余BGA（球柵陣列）結(jié)構(gòu)及較大焊盤的錫膏均潤(rùn)濕良好］。測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)金厚差異較大，焊錫性好的板件，金厚在2.50 μ″左右；較差的板件金厚大約為1.10 μ″。那么，是不是金厚導(dǎo)致焊錫延展性

圖1　客戶反饋錫膏延展性好及較差的板對(duì)比Figure 1 Comparison of boards with good and bad solder spread from customers

編者注：圖1原為彩色，請(qǐng)見C1頁(yè)。出現(xiàn)差異呢？為此，通過尋找合適的焊錫延展性測(cè)試方法，并制作不同金厚的試驗(yàn)板，驗(yàn)證了金厚對(duì)焊錫延展性的影響，也評(píng)估了金厚對(duì)沉金PCB焊點(diǎn)可靠性的影響。

1　評(píng)估方法

采用浸錫法測(cè)試客戶反饋錫膏延展性不良的樣品，其焊盤潤(rùn)濕均良好，未顯示出差異，因此只能尋找其他方法評(píng)估沉金PCB的焊錫延展性。由于PCB廠內(nèi)部無(wú)法采用印錫膏的方式，擬通過錫球延展性測(cè)試來模擬評(píng)估錫膏在沉金焊盤回流焊接后的延展性。

1.1試驗(yàn)

選擇客戶反饋錫膏延展性較好及較差的樣板，先用油性松香涂抹焊盤，再植上直徑0.6 mm的錫球，然后放到回流焊機(jī)內(nèi)進(jìn)行回流焊接，通過測(cè)量錫球焊接后的延展尺寸來評(píng)估此法是否可行。由于錫球大小固定，在足夠大的焊盤上，只需對(duì)比回流焊接后錫球延展面積即可。

1.2結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示?？梢娍蛻舳四M裝配后錫膏延展性較差的板件（焊盤尺寸約1.2 mm × 1.2 mm），其錫球延展性測(cè)試也較差，而客戶端模擬裝配較好的板件，錫球延展性也較好，二者延展面積相差約0.22 mm2。故采用錫球延展性的方法可有效評(píng)估不同金厚沉金板件的焊錫延展性。需說明的是：測(cè)試樣品是客戶已完成雙面焊接后，PCB上未焊接位置，因受一定的回流焊接熱影響及污染等，所以潤(rùn)濕性較差。

2　金厚對(duì)錫球延展性的影響

通過控制沉金時(shí)間制作了不同金厚的試驗(yàn)板（焊盤尺寸約1.8 mm × 1.8 mm），實(shí)際金厚及鎳厚如表2所示。

表2　樣板的金厚及鎳厚Table 2 Thicknesses of gold and nickel layers of sample boards

不同金厚板件錫球延展性測(cè)試結(jié)果如表3所示?？梢姰?dāng)金厚僅1.15 μ″（1#樣品）時(shí)，錫球延展性較差，其潤(rùn)濕后的面積約1.10 mm2；對(duì)比2#和3#樣品發(fā)現(xiàn)二者錫球延展面積相差約0.30 mm2，可知金厚較薄且厚度相近時(shí)，鎳層厚些也有利于提高延展性；當(dāng)金厚達(dá)到3.00 μ″（4#與5#樣品）左右，焊錫已將整個(gè)焊盤潤(rùn)濕，面積大于3.24 mm2。上述結(jié)果表明，金厚對(duì)焊錫延展性有非常顯著的影響。

3　不同金厚板件的可靠性測(cè)試

3.1常規(guī)可焊性測(cè)試

不同金厚板件常規(guī)可焊性測(cè)試結(jié)果見表4。采用浸錫法測(cè)試可焊性，不同金厚板件的焊盤潤(rùn)濕能力未見明顯差異，均表現(xiàn)良好。但用漂錫法測(cè)試孔的可焊性時(shí)，還存在一定差異：金層較薄時(shí)，錫基本無(wú)法潤(rùn)濕孔環(huán)（如1#、2#、3#樣品），但當(dāng)金層較厚時(shí)，錫可完全爬到孔環(huán)并潤(rùn)濕（如5#樣品）。上述結(jié)果進(jìn)一步證明金厚會(huì)顯著影響焊錫的延展性。

表3　金厚與錫球延展面積的關(guān)系Table 3 Relationship between gold thickness and solder ball coverage area

表4　不同金厚板件常規(guī)可焊性測(cè)試結(jié)果Table 4 Normal weldability test results of boards with different gold thicknesses

3.2金屬間化合物（IMC）測(cè)試

用SEM（日本島津SSX-550）測(cè)試了不同金厚板件IMC，結(jié)果見表5。從結(jié)果可知，無(wú)論是采用錫球法還是浸錫法，均可形成良好的IMC層。但金層太厚時(shí)，IMC層也較厚，如4#樣品。由于IMC層較脆，過厚的IMC反而會(huì)降低焊點(diǎn)強(qiáng)度，同時(shí)過多的金熔入焊點(diǎn)中還會(huì)帶來金脆問題，因此金層太厚不利于IMC的形成及焊點(diǎn)強(qiáng)度。

表5　不同金厚樣品IMC的SEM圖Table 5 SEM images of IMCs in boards with different gold thicknesses

3.3黑盤測(cè)試

不同金厚板件黑盤SEM測(cè)試結(jié)果見圖2。從本次結(jié)果可見無(wú)論是薄金還是厚金，均未發(fā)現(xiàn)明顯黑盤。

圖2　不同金厚樣品黑盤測(cè)試SEM照片F(xiàn)igure 2 SEM images of boards with different gold thickness after black pad test

3.4焊盤拉脫強(qiáng)度測(cè)試

不同金厚板件焊盤拉脫測(cè)試結(jié)果見表6。從表6可見，金厚1.10 ～ 3.70 μ″的焊盤均合格，不論是孤立的標(biāo)靶點(diǎn)，還是有連線的方形焊盤，拉脫測(cè)試后焊盤均與基材分離，表明焊接強(qiáng)度良好。

4　金厚影響沉金PCB焊錫延展性的原因探討

為什么不同金厚的沉金PCB焊錫延展性會(huì)有如此大的差異？這還得從金屬的焊接特性進(jìn)行分析。眾所周知，金與銀焊錫性都很好是因?yàn)樗鼈冊(cè)趶?qiáng)熱中能快速形成IMC（AuSn4與Ag3Sn），且IMC還能迅速分散溶入液態(tài)的焊料中。金溶進(jìn)高錫量SAC305焊料的速率可達(dá)117.90 μ″/s，銀也能快到43.60 μ″/s，遠(yuǎn)超過銅（4.10 μ″/s）和鎳（0.05 μ″/s）這2種基底金屬形成IMC的速率［1］。但實(shí)際上沉金PCB焊接后真正的焊點(diǎn)強(qiáng)度建立在鎳基底上，金只作為表面防銹的皮膜而已?！昂稿a延展性”不過是焊接瞬間金與焊料的熱烈互動(dòng)，真正確保焊點(diǎn)強(qiáng)度的還是取決于焊料與鎳層能否形成良好的IMC層。

5　結(jié)論

（1） 錫球延展性測(cè)試可有效評(píng)估沉金PCB焊錫延展性。結(jié)果表明金厚對(duì)焊錫延展性有顯著影響，即金層越薄，焊錫延展性越差；金層越厚，焊錫延展性越好。

表6　不同金厚樣品焊盤拉脫強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Table 6 Pull strength test results of pads on boards with different gold thicknesses

（2） 金厚為1.15 ～ 3.70 μ″的樣品均有IMC生成，焊盤拉脫測(cè)試結(jié)果均為焊盤與基材分離。金厚僅影響焊錫延展性，并不影響焊接強(qiáng)度，只有當(dāng)無(wú)法形成可靠的IMC層時(shí)，才會(huì)影響焊接強(qiáng)度。

（3） 沉金PCB的焊點(diǎn)強(qiáng)度建立在鎳基底上，金只是鎳層表面防銹的皮膜?！昂稿a延展性”不過是焊接瞬間金與焊料的熱烈互動(dòng)，真正確保焊點(diǎn)強(qiáng)度的還是建立在鎳層上的IMC。

（4） 一般通過延長(zhǎng)沉金時(shí)間或提高沉金溫度獲取沉金PCB的金厚，而由于金缸對(duì)鎳層的攻擊十分猛烈，過度追求金厚勢(shì)必增加黑盤風(fēng)險(xiǎn)，從而影響焊點(diǎn)可靠性，因此在保證金層能完全覆蓋鎳層的情況下，金厚控制得薄些反而更有利于確保焊點(diǎn)強(qiáng)度。

［1］白蓉生.看圖說故事（15）［J］.電路板會(huì)刊， 2009 （45）： 4-17.

［ 編輯：杜娟娟 ］

Effect of gold thickness on ENIG PCB solder spread and joint reliability

LI Fu*， LI Bin

The effect of gold thickness on solder spread of electroless nickel/immersion gold （ENIG） printed circuit board （PCB） was verified through solder ball spread test， normal weldability test， black pad test， and pad pull strength test.The intermetallic compounds （IMCs） were assessed by scanning electron microscope.The results showed that the solder spread gets better with increasing thickness of gold layer.However， gold layer is only used to protect the nickel layer.The reliability of solder joint is built on the basis of IMCs， and can be guaranteed as long as good IMC can be formed between nickel layer and solder.The thicker the gold layer， the higher risk of black pad will be， and gold embrittlement problem may be caused.The thickness of immersion gold should not be blindly pursued for improving the solder ductility.

printed circuit board； electroless nickel/immersion gold； thickness； solder spread； intermetallic compound；reliability

TN405； TG40

A

1004 - 227X （2015） 04 - 0196 - 05

2014-08-20

2014-12-08

李伏（1978-），女，遼寧錦州人，碩士，高級(jí)工程師，主要負(fù)責(zé)PCB產(chǎn)品及新材料新工藝的可靠性評(píng)估，在PCB產(chǎn)品尤其是焊接失效分析方面具有較豐富的經(jīng)驗(yàn)。已在國(guó)內(nèi)外刊物及國(guó)際會(huì)議上發(fā)表論文10余篇。

作者聯(lián)系方式：（E-mail） fuli@cctc-pcb.com。