深圳金百泽电子科技股份有限公司（www.kbsems.com）成立于1997年，是线路板行业十强企业，总部设在深圳，研发和生产分布在深圳、惠州和西安等地，为客户提供产品研发的PCB设计、PCB快速制造、SMT加工、组装与测试及硬件集成等垂直整合解决方案，是国内最具特色的电子制造服务提供商。电话：0755-26546699-223化镍浸金无铅焊点之强度一、发生黑垫之机理与改善1.1黑垫的探讨化镍浸金的焊锡性(Solderability)一向不错，不管板子经过几强热仍然非常好焊。然而焊锡性的优异，并不代表焊点强度(SolderjointStrength)或后续之可靠度也就良好，ENIG的天生宿命正是最好的活例子。完成中磷之化镍镀层之后(93%Nibywt+7%P)，再浸入金槽进行浸镀金置换(Replacement)反应之际，金属镍(Ni)会被金水所攻击而溶解成为镍离子(Ni++)；所抛出的两个电子则被金水中2个金氰错离子[Au(CN)2-]所接收，并立即沉积出来2个金原子随即附着在化镍层上。然而当镍原子出走时，磷原子在未能参与反应下只好继续留在原地。因而造成面金与底镍之间的磷量增多，称为“富磷”现象(PhosphorRich，或P-rich)。同时还出现雪上加霜的另一负面效果，那就是出走了一个较小的镍(原子量58)，却招来了两个很大的金(原子量197)，于是在表面被快速铺满盖实之后，许多已氧化了的镍(Ni→Ni++)，在去路已被堵死之下只好留在原地发黑。故知金与镍之介面间的黑垫，其主要成分就是富磷与氧化镍之复合物。(如图1所示)图1左(a)图为ENIG表面放大500倍的俯视外观画面，其特殊瘤状形貌(Morphology)者，即为化学镍沉积层的特征。右(b)图即为其截面放大图，其瘤界(NoduleBoundary)藏污纳垢之软弱处即容易遭到金水的深入攻击，而成为黑垫的起源。左(c)图为无铅焊接后在IMC层与底镍之介层中所出现的“富磷”层；右(d)图说明焊后，由于黑垫作崇而造成焊点开裂的情形。1.2焊接后黑垫再度劣化当后续ENIG皮膜进行无铅焊接时，薄薄的浸金层在充足的热量与锡量下，会快速的溶入液锡主体中(溶速117μin/sec)，形成四处分散AuSn4的IMC。金面快速走光了，底镍即与液锡共同在介面间组成焊点强度所必须的基础IMC(Ni3Sn4)，于是镍层又做了第二次的出走。当然磷份还是不能参与反应，因而富磷现象也就更加劣化了，这就是焊点强度或可靠度由于黑垫(BlackPad)的几乎必然发作，而变得脆弱不堪。黑垫形成之机理：1.IG反应时，走了一个瘦镍来了两个胖金，去路被堵未走的镍只好以NixOy留在介面。2.镍走磷不走形成富磷。3.焊接中镍又二次出走磷仍未走，再度富磷。4.黑垫=NixOy+1次P-rich+2次P-rich。解救的方法当然不是没有，例如上村公司的专业做法，且已在覆晶(FC)量产中流行之TSB-71商业制程。这是一种利用部分还原金代替全部换金的做法。此法对避免黑垫十分有效，已成为高阶封装载板的利器。或在化镍之后另浸镀上一层很薄的化学钯(Palledium，Pd)，然后再浸镀上很薄的浸金层做为抗氧化之保护作用，而成为全新的ENEPIG，如此一来亦可克服大部分黑垫问题。而且焊接中单纯形成的Cu6Sn5，老化中会长出劣质的Cu3Sn反而对强度有害。少许镍原子参与后形成(Cu,Ni)6Sn5的混合式IMC，将不再生成Cu3Sn进而强度与可靠度反倒更好。不过两者成本之贵，当然不是一般PCB业者所能负担。(如图2所示)图2上a图是经过10次SAC305焊接后，ENIG在其介面中形成混合式IMC的(Cu6,Ni)6Sn5切片图，此图为SEM电镜放大一万倍的画面。右b图为穿透式电镜TEM所见之介面情形；上列表格即为上a图的成份分析内容。1.3火上加油之金脆然而无知的PCB设计者(Designer)或布局者(Layouter)，对本身领域以外之学识却从来不求长进，无视于大量无铅新知之充斥，却仍然自我满足自以为是，继续沉迷于十余年前的老旧思想与劣质做法，造成如今仍有极多ENIG的板类续用于无铅焊接，其重大灾难之频频出现，当然也就不足为奇了。无知之可怕如此可见一斑。话虽如此，某些ENIG或焊接强度之不足，也并不能全数记在黑垫的帐上。黄金层之未能及时逸走与散开，仍然停留在化镍基地表面或附近的AuSn4，其之脆性更是另一枚定时炸弹，也就是所谓的“金脆”(GoldEmbrittlement)现象。所形成的金锡IMC(AuSn、AuSn2、AuSn4)之仍然聚集在镍面附近而未能远扬者，其原因除了热量不足外，金层太厚(超过3uin)致使焊接中金锡IMC未能全数远移，也是强度不足的另一原因。