ENIG焊盤潤濕不良失效分析

李進，張浩敏，袁保玉

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東廣州510610；2.寧波賽寶信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，浙江寧波315040）

ENIG焊盤潤濕不良失效分析

李進1，2，張浩敏1，2，袁保玉1，2

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東廣州510610；2.寧波賽寶信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，浙江寧波315040）

針對化學(xué)鎳金（ENIG）焊盤的上錫不良問題，選取了一個典型的案例進行分析。詳細地介紹了分析的過程和手段，通過采用外觀檢查、金相切片、SEM&EDS等分析手段，發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)致上錫不良的主要原因為黑焊盤造成的潤濕不良。同時，總結(jié)和分析了導(dǎo)致此缺陷的原因和應(yīng)采取的對策。

化學(xué)鎳金；潤濕不良；黑焊盤；失效分析

0 引言

化學(xué)鎳金（ENIG:Electroless Nickel Immersion Gold）鍍層集可焊接、接觸導(dǎo)通、打線和散熱等功能于一身，因而被廣泛地用于電子和通信領(lǐng)域，但是，ENIG也存在一些缺點，例如:ENIG流程長、復(fù)雜、成本高、管理難，而且無法重工，容易在焊接中或焊后使用中發(fā)生黑墊，對焊接強度非常不利?；瘜W(xué)鎳金是一種置換反應(yīng)，由于金的負電性極強且金的活動次序的位置也極高，當(dāng)鎳皮膜浸入到含Au的鍍液中時，金離子會立即搶鎳金屬的電子，使自己還原成金皮膜而使底鎳溶解成鎳離子。一個較小鎳原子的溶解可以獲得兩個較大金原子不規(guī)則的沉積，形成疏松多孔的晶粒結(jié)構(gòu)，即使鎳表面已經(jīng)蓋滿了金層，也可以繼續(xù)鍍上金，只是速度越來越慢。該置換反應(yīng)的化學(xué)方程式如下所示:

1 案例分析

1.1 背景

案例分析的對象是某汽車儀表盤的電路板，焊接后發(fā)現(xiàn)有焊盤潤濕不良的現(xiàn)象。

1.2 外觀檢查

外觀檢查發(fā)現(xiàn)潤濕不良的焊盤表面發(fā)黑，有少許焊錫存在，無明顯的異物。潤濕不良的焊盤外觀及切片方向如圖1所示。

圖1 潤濕不良的焊盤外觀及切片方向

1.3 表面電鏡能譜分析

潤濕不良處的能譜分析表明該區(qū)域的主要元素是碳（C）、氧（O）、硅（Si）、磷（P）、鎳（Ni）、銅（Cu）和錫（Sn）。潤濕不良的焊盤能譜分析位置如圖2所示，分析結(jié)果如表1所示。

圖2 潤濕不良的焊盤能譜分析位置

表1 能譜分析結(jié)果

1.4 金鎳厚度測量

任意地選取失效PCB板5個未焊接焊盤并測量其金鎳厚度，結(jié)果表明其厚度正常，如表2所示。金的主要作用是保護鎳以防止其被氧化，在接觸高溫的一瞬間，金迅速與錫形成界面合金化合物而溶于錫中，實際上焊點的強度是由鎳和錫生成的界面合金化合物Ni3Sn4來表現(xiàn)的。過厚的金層不但對強度無益反而有害，還有“金脆”的風(fēng)險。沉金時間過長、速度過快會導(dǎo)致金層變厚，同時會加劇金水對鎳層的攻擊，有黑墊的風(fēng)險；小型焊盤更為嚴(yán)重。

表2 金鎳厚度測試數(shù)據(jù)單位：u"

1.5 鎳面晶格觀察

任意地選擇失效PCB板一個未上錫的焊盤，剝金后用掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)鎳面平坦致密，晶格起伏不大，但溝瘤處有腐蝕存在，如圖3所示。

圖3 鎳面晶格觀察圖片

1.6 鎳層腐蝕觀察

任意地選擇失效PCB板兩個未上錫的焊盤切片后用掃描電鏡觀察分析，可清楚地看到其中一個焊盤的鎳層被腐蝕出一個空洞，腐蝕深度達到整個鎳層的32.8%，寬度為1.22 μm，此為金水過度咬鎳的結(jié)果；另外一個焊盤未見腐蝕，如圖4所示。

圖4 鎳層腐蝕觀察圖片

1.7 金相切片分析

切片后進行金相分析（切片方向如圖1所示），結(jié)果顯示，潤濕不良焊盤表面縮錫，縮錫處的鎳層表面發(fā)現(xiàn)較厚的富磷層，同時遍布嚴(yán)重的腐蝕帶（如圖5d所示）；鷗翼下方有錫處部分焊料與焊盤間開裂，鎳層表面亦發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕帶和較厚的富磷層，無明顯的界面合金化合物生成（如圖5c所示）；其他部分雖有界面合金化合物生成，但鎳面表層亦有大量的不連續(xù)腐蝕存在，富磷層相對于開裂處較?。ㄈ鐖D5b所示）。焊接正常的焊盤表面潤濕良好，鎳面與焊錫生成良好的界面合金化合物，富磷層亦很薄，鎳層表面有極少的針狀腐蝕存在（如圖6所示），對可靠性影響不大。

圖5 潤濕不良的焊盤切片圖片

圖6 潤濕正常的焊盤切片圖片

1.8 潤濕不良焊盤鎳層間磷含量分析

化學(xué)鍍鎳層的品質(zhì)取決于磷含量的大小，P含量較高時，抗腐蝕性好，為了同時兼顧焊錫性，一般將P的含量控制在7%～10%之間為宜。潤濕不良的焊盤鎳層間磷含量分析的位置示意圖如圖7所示，測試結(jié)果如表3所示。從表3中可以看出，鎳層間P的含量為8.03%，在正常范圍內(nèi)。

圖7 分析位置示意圖

表3 磷含量測試數(shù)據(jù)

2 結(jié)果與討論

潤濕不良的焊盤表面元素分析未發(fā)現(xiàn)異常。未焊接焊盤的鎳層表面平坦致密，溝瘤處有腐蝕存在，但在截面切片中發(fā)現(xiàn)一個空焊盤的鎳層有較大的腐蝕空洞，此為金水過度咬鎳的結(jié)果；此失效板的金鎳厚度正常，未發(fā)現(xiàn)金層過厚、鎳層過薄的情況；潤濕不良的焊盤鎳層表面發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的腐蝕帶，鎳層間P的含量為8.03%，在正常范圍內(nèi)。有資料指出，引起鎳腐蝕的可能因素有:1）焊盤的形狀；2）鎳層的磷含量；3）銅面粗糙度；4）鎳面晶格；5）污染（如阻焊膜的影響等）；6）沉金速率和時間；7）沉金厚度；8）槽液老化。ENIG在高溫焊接時，金層極其快速地融于錫中，鎳和錫形成界面合金而被焊牢，但一旦鎳面大面積被腐蝕時，其可焊性和焊點強度就將會顯著地降低。

3 結(jié)束語

從上述分析可知，鎳層表面嚴(yán)重的腐蝕帶（即黑焊盤）是造成此次潤濕不良的主要原因。為了降低鎳腐蝕發(fā)生的概率，建議做好以下幾項工作，以提高ENIG焊盤的焊接可靠性。

a）加強對磷含量、金鎳厚度、鎳面晶格、沉金速率、沉金時間和焊盤焊錫性的監(jiān)控。

b）減少金鎳缸的雜質(zhì)沉金現(xiàn)象。

c）控制金鎳缸鍍液的PH值、溫度和濃度在適宜的范圍內(nèi)。

d）改善生產(chǎn)和儲存環(huán)境，ENIG后的電路板長期暴露在潮濕或惡劣的環(huán)境中，由于金層的疏孔性，鎳面會發(fā)生賈凡尼式腐蝕；嚴(yán)重時，焊接后會發(fā)生潛在的黑焊盤，因為助焊劑或酸性物質(zhì)會通過金層孔隙滲入鎳層。

[1]白蓉生.好圖會說話[M/OL].（2011-01-31）[2016-09-01].http://wenku.baidu.com/view/75060eea172ded630b1cb 6c6.html.

[2]白蓉生.化鎳浸金無鉛焊點之強度[EB/OL].（2011-10-25）[2016-09-01].http://ishare.iask.sina.com.cnlf120258222. html.

[3]白蓉生.微切片手冊[M/OL].（2012-06-17）[2016-09-01].http//wenku.baide.com/view/ed08f26165ce050876321372. html.

[4]恩云飛，來萍，李少平.電子元器件失效分析技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2015:315-326.

[5]羅道軍，賀光輝，鄒雅冰.電子組裝工藝可靠性技術(shù)與案例研究[M].北京:電子工業(yè)出版社，2015.

[6]金鴻.印制電路技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

Failure Analysis of Dewetting of ENIG Pad

LI Jin1，2，ZHANG Haomin1，2，YUAN Baoyu1，2
（1.CEPREI，Guangzhou 510610，China；2.Ningbo CEPREI IT Research Institute Co.，Ltd.，Ningbo 315040，China）

In order to solve the dewetting problem of ENIG pad，a typical case is analyzed.The analysis process and methods areintroduced in detail.Bymeans ofvisual inspection，metallographic section，SEM，EDS and other analysis means，it is found that the dewetting problem is caused by the black pad.At the same time，the causes leading to the defect and the countermeasures are summarized and analyzed.

ENIG；dewetting；black pad；failure analysis

TG 441.7；TQ 153.2；TG 115.21+5

A

：1672-5468（2017）02-0030-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.02.007

2016-09-20

李進（1985-），男，江蘇泰興人，寧波賽寶信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司助理工程師，從事電子產(chǎn)品的分析與檢測工作。