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      金属层表面处理工艺-化学镍金

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      基本原理:印制电路板焊盘表面须进行涂覆处理以?;ち优掏娌槐晃廴竞脱趸?,保证元器件焊接可靠性,目前焊盘表面处理有热风整平、有机可焊性?;つ?、化学锡、化学银和化学镀镍浸金等。而化学镀镍浸金(ENIG)作为无铅化PCB镀层工艺之一,因其镀层平整度高、镀层耐磨性好且接触电阻低、可以替代电镀镍金(ENEG)进行绑定(WB)、高湿环境中不氧化、可作散热表面等优越性能,被广泛应用于精密电子产品的印刷电路板的表面处理和微电子芯片与电路板的封装技术中。但ENIG在实际使用中存在缩锡、黑盘、金脆、腐蚀等现象,严重影响电子产品质量。

       

      黑盘:所谓黑盘,主要是指金浸镀过程中由于镍磷层被过度腐蚀导致镍磷层表面缺乏可焊性而使焊点强度不足,甚至出现开裂的一种缺陷。由于在开裂后焊盘表面多呈深灰色或黑色,因此俗称黑盘。
      黑盘失效特征主要包括3个方面:焊接前Ni 层表面存在腐蚀状裂缝,Ni层截面存在纵向腐蚀,如图1所示;焊接后Ni层截面纵向腐蚀裂缝进一步加剧,IMC层与Ni(P)层之间可见明显富P层(P含量为焊接前的2倍或以上),如图2所示;焊点开裂发生在IMC层与Ni3P之间,断裂后的镍层表面平坦,基本无焊料残留,且可见明显泥裂,如图3所示。

       

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      图1 ENIG 镀层黑盘发生区Ni表面及纵向腐蚀特征

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      图2 ENIG 镀层黑盘发生区界面化合物形貌

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      图3 ENIG镀层黑盘发生区断裂界面泥裂形貌及成分分布

       

      产生原因:黑盘产生的主要机理是在化学浸镀金时,由于Ni原子的半径比Au原子的半径小,因此在Au原子排列沉积在Ni层上时,其表面晶粒就会呈现粗糙、稀松、多孔的形貌,而镀液就会透过这些孔隙继续和金层下的镍原子反应,发生电化学腐蚀,使Ni原子继续发生氧化,以致在金面底下未溶走的镍离子被困在金层下面,形成不可焊接的黑色氧化镍。
      一般而言,ENIG 化学镀镍层的表面越平坦越有利于减少黑盘的发生,越不平坦越容易造成浸金药水对镍晶界的过度攻击而形成黑盘。为了保证表面平整度,一般要求镍层的厚度至少在4um 以上。另外,镍层中的P含量一般认为在8~10wt%有利于防止黑盘的发生。但是,目前对于黑盘发生的随机性和偶然性仍难以给出科学解释。
      检测方法:化学镍金通常使用扫描电镜和X射线能谱仪(SEM&EDS)观察镍金镀层的微观结构;同时使用可焊性测试仪依照IPC/J-STD-003B 标准测试PCB焊盘的可焊性;以及通过显微维氏硬度计来分析比较化学镍金的硬度差异;并使用XRD对镀层的结晶状况进行分析,主要关注导致可焊性差异的原因。
      扫描电镜作为材料微观结构表征的利器,已经成为PCB制造商必不可少的分析工具。赛默飞超高分辨场发射扫描电镜Apreo2兼具高质量成像和多功能分析性能于一体,采用双引擎技术,超低电压下可直接分析不导电样品,且无需做喷镀处理。如下图4所示,在2KV电压下,直接将镀层样品置于Apreo2电镜中,凭借快捷的FLASH功能,设备可自动执行精细调节动作,只需移动几次鼠标,就可完成必要的合轴对中、消像散和图像聚焦校正,即使电镜初学者也能充分发挥Apreo2的最佳性能。
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      图4 ENIG 化学镍金镀层表面微观形貌图

      除此之外,利用赛默飞超高分辨场发射扫描电镜Apreo2镜筒内完善的“三位一体式”探测器系统,可以在不同的探测器下获得更多的样品表面信息,如下图5。

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      图5 T2探测器下的镀层表面

       

      参考资料:

      1.李伏,李斌.化镍浸金工艺之黑盘特征、测试方法介绍及判定标准建议.

      2.史建卫. PCB 化学镍金镀层(ENIG)常见问题及抑制措施.

      3.https://mp.weixin.qq.com/s/A6mNbLZhNJ10jQCFmb-K1A.


       

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