生产管理知识_化镍浸金焊接黑垫之探究与改善

化镍浸金焊接黑垫之探究与改善一、化鎳浸金流行的原因 各種精密元件組裝的多層板類，為了焊墊的平坦、焊錫性改善，焊點強度與後續可靠度更有把握起見，業界約在十餘年前即於銅面逐漸採用化鎳浸金(Electroless Nickel and Immersion Gold;EN/IG)之鍍層，作為各種SMT焊墊的可焊表面處理(Solderable Finishing)。此等量產板類有：筆記型電腦之主機板與通訊卡板，行動電話手機板，個人數位助理(PDA)板，數位相機主板與卡板，與攝錄影機等高難度板類，以及電腦週邊用途的各種卡板(Card，是指小型電路板而言)等。據IPC的TMRC調查指出ENIG在1996年只占PCB表面處理的2%，但到了2000年時卻已成長到了14%了。以台灣量產經驗而言，1000l之化鎳大槽中，單位操作量（Loading Factor）已達1.5ft2/gal（360cm2/L），工作忙碌時兩三天就需要換槽。ENIG之所以在此等困難板類大受上下游歡迎的原因，經過深入瞭解後計有下面四點：圖1.此為Errison著名手機T-28之HDI六層板（1+4+1），線寬3mil雷射盲孔5mil，其基頻區共裝了一顆mini-BGA及4顆CSP，其Via in Pad之墊徑僅12mil左右，是1999被Prismark推崇的明星機種。初上市時售價台幣兩萬六，由於競爭激烈及電磁波太強，2001年已跌價到了999元，災情之慘重豈僅是唏噓慨嘆而已。1.1 表面平坦好印好焊，小型承墊獨領風騷當板面SMT的細長方形、或圓形、或方形之焊墊越來越多、越密、越小時，熔錫與噴錫處理墊面之高低不平，造成錫膏印刷不易與零件踩腳困難，進而造成熱風或熱氮氣熔焊（Relow）品質的劣化。此與十餘年前盛行的通孔波焊，或後來墊面還夠大時的錫膏熔焊等皆大異其趣。彼時之墊面噴錫處理，無論在焊錫（Solderablity）或焊點強度（Joint Strength）方面，均非其他可焊處理之所能望其項背。良好的ENIG平均可耐到3次的高溫焊接，目前也是浸銀或浸錫處理所無法相提並論的。圖2.由於微小球墊上ENIG之焊接不太可靠，加以黑墊又常發生，逼得組裝者對該等難纏的CSP微墊只好改採OSP皮膜，板價不斷下降，做法反倒更難，如此HDI高科技有何榮耀可言？甚至業者還將之改成Super Solder 先上銲料，更是大材小用其心良苦然而如今手機板上所裝的多顆mini-BGA或CSP，其眾多微墊之焊接，不但讓元件商與組裝者心驚膽跳，PCB業者更是草木皆兵聞 退 變色(品質不佳退貨賠償)。目前手機板上一般行情的CSP(此晶片級封裝品係指墊距Pitch在0.8mm以下之BGA)，其圓型承墊之Pitch僅30mil，而墊徑更只有14mil而已；而且小型QFP長方焊墊的墊寬更已窄到了只有8mil，如此狹小墊面上所印的精密錫膏，如何能容忍先前噴錫的高低不平?均勻平坦的可焊處理層，當然不是只有ENIG而已，曾經量產者尚有OSP有機保焊處理，浸錫處理（Immersion Tin；最近已出現量產之規模，後效如何尚待觀察），化鎳浸鈀金處理，甚至化學浸錫或化學錫鉛等處理。其中除了OSP外，其他多半由於製程不穩或後患太多而無法成其氣候，實務上當然根本不是化鎳浸金的對手。且OSP的耐久性與抗污性又不如化鎳浸金，而免洗錫膏中活性甚弱的助焊劑，是否在焊前瞬間能及時除去OSP之老化皮膜，而能順利沾錫焊妥者亦大有問題。圖3.左為三四年前赫赫有名電腦心臟CPU，其FC式P-3封裝載板腹底植針焊接之基墊情形。中為較後版本的P-3載板腹面已完成植針與18顆解耦合電容器SMT焊接之畫面。右為功能更強面積更小的P-4，其尚未植針與焊接電容的腹面。注意，此等FC載板之覆晶正背面中央，小小立錐之地竟然擠進400-1000顆的銲錫凸塊，做為大號晶片的顛覆焊緊作用。於是雙面ENIG之皮膜，共經正面印膏與熔成凸塊，下游客戶的覆晶焊接，及腹面焊接植針與電容器的貼焊等；至少須經三次以上的高溫考驗。任何毫厘疏失所造成的恐怖後果，絕不是割地賠款所能善罷甘休的。當然其ENIG動則棄槽之嚴酷管理，也只有這種單價5-9美元的量產載板才能玩得下去。此低單價高階品的量產，早已不是養尊處優吃香喝辣的老外們所能染指，吃苦耐勞的台灣人，才正是價廉物美電腦普及的幕後功臣。除了上述的一般焊接外，ENIG之墊面當然也可做為FC封裝板的球腳之植球基地，或錫膏成半球後的凸塊（Bump）承墊。1.2 墊面之接觸導通一向優異別無分號 手機板除需零件焊接外，有些墊面還要執行摁鍵導通，黃金不生鏽正是Contact Connection的最佳候選。手機板的此種摁鍵(Key Pad)做法，與LCD-TFT模組板上的ACF壓著墊等不管是直接佈局在主板上，或是另採極薄的雙面硬板或軟板之搭配主板，其觸墊表面一律都要電鍍鎳金以降低其接觸電阻。如今高難度的HDI手機板在供過於求下，身價早已低落到了便宜的商品，該等原先之正規電鍍處理，也只好降格為一次級的化鎳浸金了。圖4.左為十年前業界所生產給Notebook用的LCD模組雙面板，水平面上下共裝16顆驅動IC，垂直用5顆IC 。全板ENIG線寬與墊寬僅4mil，平行密集的跑線達五、六百條之多。此種板顆現已改成縱橫兩長條形多層板（如上右圖），但仍採 ENIG 做為ACF壓著導通之皮膜。尤有甚者ENIG還可當成某些低價多層板上插拔動作的金手指用途，雖非合規之正道，但卻也聊勝於無。許多低成本DRAM狹長卡板上無斜邊之金手指，即採用此等 仿冒品式 的作法。價碼掛帥的各種商品，一切只好從簡。圖5.此為現行熱門LCD-TFT背光顯示模組中長條多層板的一小段，其TAB所裝驅動IC之外腳，須採ACF或傳統焊接法，與此板之密集承墊完成互連，是目前業者的另一項ENIG的主力產品。圖6.此為電腦主機板上插接用的DRAM卡板。早期工序採電鍍鎳金，現已降格改為廉價的ENIG製程，狗尾續貂情非得已圖7.此為行動電話HDI手機主板背面之Key Pad按鍵區，也有業者另採專用的按鍵軟板或薄板做為主板的搭配，是ENIG所無法被取代的必須功能。1.3 並具可打線能力而得以替代電鍍鎳金許多 晶片安裝板 (Chip on Board; COB)之承墊表面，需要對較粗(5-20 m)的鋁線進行打線(Wire Bonding)工程，使晶片得可與電路板直接互連，而令元件的封裝成本得以免除。此種不太講究固著力的場合，化鎳浸金自然就取代了成本甚貴的電鍍鎳金了。早期某些計時器，如電子錶，電子錶筆等，即採此種“降格”做法。不過近年來此類廉價商品的製造基地，早已轉移到中國大陸去了，其現行的做法甚至連ENIG在成本考量下也一併取消，出貨時只要用軟橡皮擦拭承墊的銅面，其打線後的拉力甚至還不遜於化鎳浸金。成本至上的原則下，此等更便宜的“無格”辦法，當然就把相形見拙的“降格”政策取而代之了。圖8.左上為電鍍鎳金快速打細金線互連(Ball to Wedge)所用精密COB 之高階多層板類；下左為低階COB之雙面板，下右為中階COB的四層板，後二者均為慢打粗鋁線（Wedge to Wedge）用的產品。由於完工組件單價太低，故其承接皮膜也只好由電鍍鎳金改為ENIG了。甚至許多大陸的台商，連ENIG也都再次省掉，而改成擦拭的裸銅板出貨，黃鼠狼下耗子成何體統？1.4 高溫中不氧化可做為散熱之表面某些高功率的元件除其背面可加裝散熱之鰭片外，其腹底的板面區域亦可另設一些散熱用的通孔。此時其孔壁孔環即可實施化鎳浸金處理，在免於氧化下協助積熱的散逸，並可增加孔壁的機械強度，有如鉚釘一般可使多層板的結構更為優化。許多筆記型電腦板上CPU的承受區，或BGA式元件的焊接基地，或其他小型卡板上即採用這種全面性的ENIG散熱孔。圖9.上三種六八層板，均採ENIG做為高功率多腳元件腹底通孔之散熱用途。由於鎳金層對於銅孔的補強，使得互連兼散熱或只做散熱者，等長期任務皆可達成。中圖為當年TAB式Pentium-1之320腳CPU，採Super Solder法焊墊的十層板，其中央方塊ENIG皮膜區，共有9.8mil的小孔256個，花費當然很貴。為了降低成本，乾脆打掉所有窗櫺改成喏大個方門（右圖），不但便宜而且散熱還更方便。奇怪，早幹嘛去了？ 二、化鎳浸金失寵的背景ENIG兼具可焊接、可觸通、可打線，與可散熱等四種功能於一身，一向是各種密集組裝板類的寵兒，並早已成為其他表面處理所無法取代的地位。曾幾何時，當筆記型電腦之主機板與後起的電話手機板上，其BGA或CSP焊墊既多又小之際，ENIG即逐漸發生焊錫性的欠佳，焊點強度（Joint Strength）不足，焊點後續可靠度低落，甚至焊點裂開分離後，還會出現黑色鎳墊（Black Pad）的種種的災難，均令生產者又恨又愛，無詞以對有苦難言。圖10.左為ENIG焊後最常發現黑墊的災區，集中在BGA元件腹底組裝板的球墊上，手機板上CSP的微墊更加糟糕。右為“能譜儀”ESD分析黑墊中發現正常鎳面的含磷量為Wt4.6%，而黑帶區卻高達9.8wt%。美國業者(多半為下游組裝者)為了從根本上通盤改善ENIG的品質起見，著名的ITRI(互連技術研究協會)曾在1997.8月組成了一個專案研究改善的聯盟（Consortium），共有22家相關業者參與(PCB及PCBA業者與藥水供應商)，希望能在特殊考試板(Test Vehicle)的小心模擬下，找出故障失效（Failure）的真正原因。然而5年來雖經眾人不斷努力，非但所得有限而且評比上也乏善可陳。經數度IPC Show之Proceedings以及其他期刊中，已發表20多篇的大型論文中，實在看不到其真正原因與徹底解決的辦法，細讀之餘仍然是一頭霧水混沌難清。唯一可行的笨方法，就是縮短化鎳與浸金等槽液的使用期限，至於其等減壽的幅度如何，則端視其產品的位階檔次而定。筆記型電腦主板所採用的ENIG，三四年前許多台灣有名的大廠，均發現過後續偶發性的焊點強度不足，焊後一兩個月甚至更短的時間內，即發現少許焊點裂開及鎳面發黑的Black Pad問題。其慘遭滑鐵盧割地賠款之痛苦歷史，至今餘悸猶存。瘟疫所及敢說無人無之。某些天真到近乎無知的下游客戶與外行的PCB業者，起初竟以為黑膜是碳成份的累積所致，因此還勞師動眾認真檢討不已，其之大膽程度實在不敢恭維。其實此黑膜是氧化鎳(NixOy)之複雜組成，根本原因是化鎳表面在進行浸金置換反應之際，其鎳面受到過度氧化反應(金屬原子溶成金屬離子其原子價升高者，稱為廣義的氧化)，加以體積甚大金原子的不規則沉積，與其粗糙晶粒之稀鬆多孔，形成底鎳續經“化學電池效應”(Galvanic Effect亦稱賈凡尼效應)的強力促動，而不斷進行氧化老化，以致在金面底下產生未能溶走的“鎳鏽”所繼續累積而成。前述的笨辦法(例如化鎳槽由原先的6個MTO縮短到目前的4個MTO)，也只能減輕其正常置換以外的不良之症狀而已，完全無法徹底根除黑墊的偶發與存在。這種越做越怕而提早換槽的主要目的，就是在縮減槽液中的H3PO4累積量，維持其鍍層中的正常含磷量(7-9%)，使保有較好的焊錫性與抗氧化性（與抗蝕性並不完全相同），期能減輕被高溫金水過度攻擊的程度，甚至延緩後續Galvanic效應的醞釀發酵。說穿了這也只是一種無可奈何之下勉強可行的做法罷了。如今不但手機板上各種大小焊墊幾乎全靠它，甚至連著名CPU用的覆晶（Flip Chip）式封裝載板，其各獨立覆墊上也不得不採用ENIG做為銲錫“突塊”（Solder Bump）的著落點。據說其化鎳槽液的壽命更已縮短到了不足3個MTO，金水中的鎳污染含量亦應拉低到500ppm以下，甚至還將純置換式的鍍金層，不惜成本的更改配方為半置換半還原式的複合金層（如上村的商品TSB-71），以減少後續黑墊災難的發生。圖12.左為CPU用高精密FC載板之球腳底面，中為該覆晶區長有銲錫突塊的正面，右為檢查ENIG 球腳承墊，經植球後所具銲點強度之推球剪力試驗(Ball Shear Test)。是檢驗ENIG高階用途的有力工具。 由於各種深入研究之報告極多而無法一一詳述，故只能慎選其內容完善者，按作者及所屬公司的不同而簡述於後，讀者有興趣欲進一步追究時，可直接閱讀大量之原文資料。 三、各種重要研究報告之內容摘要3.1“故障機理的根本原因”A Root Cause Failure Mechanism”本文係Hadco公司Nicholas Biunno所撰寫。此著名的Hadco公司原為美PCB排行之亞軍業者，現已被CEM的龍頭Sanmina於1999年所併購。本文原發表於IPC1999三月展覽之論文集中(S-18-5)，後又轉載於1999年6月號（No.6）英國所發行季刊Future Circuit International之P.133共有7頁。本文對黑墊的形成說明甚詳，其要點如下：3.1.1原理性說明ENIG可焊層所形成的銲點（Solder Joint）是生長在鎳層上（即形成Ni3Sn4的IMC），而浸金之薄層（2-4 m）於焊接過程中會迅速溶入錫體之中。故知黃金本身並未參與銲點的組織，其唯一的功用就是在保護化鎳層免於生鏽或鈍化（Passivation），否則將不能形成IMC也無法焊牢。金層愈厚熔入銲點的量也將愈多，反而會造成脆化以致銲點強度愈糟也愈不可靠。鎳溶解與金沈積同時發生置換反應，一旦當其界面被金層所密封而無鎳可溶時，則金層的沈積亦將停止。但由於金層疏孔極多，在並不密實的結構下仍可緩慢進行反應。總體而言，金水在某些因素影響下之過度活躍性（Hyperactive），將造成局部鎳面非規律性的過度氧化，縱使鋪滿金層後其與底鎳之界面間，事實上早已存在了一些可觀的氧化物，繼續老化惡化之後遂將成為惱人的黑墊。此種災難純屬偶發性，其出沒的位置也無從捉摸，是一種完全預測不到的隱憂後患。化鎳槽液的pH值對鎳層厚度及結晶外形（Topography）影響最大，而作業溫度對鎳層與金層的沈積速率則最具主宰性。3.1.2所見八種置換模式的說明採用SEM（掃瞄式電子顯微鏡）搭配EDS（能譜儀），Auger Spectroscopy（歐傑氏光譜儀），FIBM（聚焦性離子束微測頭；Focus Ion Beam Micropobe）等儀器，對ENIG進行仔細的表面分析，說明化鎳層（鎳原子）在金水中所產生的氧化性溶解，同時出現金氰錯離子的負電性還原，而沈積成為金原子等反應的結果，該文以8張高倍顯微照片敘述其置換經過的模式：(1) 金水攻咬鎳層表面之結晶；只針對球狀鎳晶交界面之軟弱處進行攻擊，側視方向可看出其深入程度約占晶球直徑的1/4。(2) 金水仍沿鎳晶界面攻擊；俯視可見其效果已較深入，且超過球徑的1/4。3) 金水已對鎳磷合金的球晶本體進行攻擊，截面所見其攻入之深度雖淺，但面積卻甚廣。(4) 金水之攻擊已十分深廣，過度活躍的反應結果可由側視窺見，事實上其等均已侵入界面及結晶本體。(5) 鎳磷合金的球狀結晶體受到金水圍攻，截面可見到其四周及底部界面處俱已滲入。(6) 局部鎳層受攻擊較深，截面可見到區域性的部份“黑帶”，原因當然是該區之金水活性太強造成反應過激所致。 7) 焊墊轉角處受到強力攻擊，致使鎳金屬產生過度氧化反應，在還來不及溶成離子游走之前，即被粗大的金層所逐漸覆蓋。由於反應尚未停止，鎳層也繼續向內部進行氧化而變質，形成表面看似正常而內部卻已變黑異常了。此現象只要選擇良好的剝金液將金層去除掉後，底鎳零星散佈的黑墊立即一目了然無所遁形。(8) 金水過猛置換反應過劇，致使鎳層迅速氧化而變黑及增厚，並已超過鎳晶的1/4，甚至當金層已進行覆蓋之際，由於本身疏孔太多，以致於擋不住氧化鎳的上下生長而形成大片黑墊。最後雖被較厚金層所蓋滿，但其夾層中的薄金層仍清晰可見，此時將會出現縮錫（Dewetting）的效應。由上述精密儀器所發現的結果看來，黑墊的形成是由於金水活性太猛，造成鎳的氧化速度遠超過了金的還原，氧化鎳未能全數水解之前即被金層所披覆，去路被阻之際只好以黑墊方式附積在金層之下。至於為何此種過度反應只在局部區域偶而生，則自始至終無法完全模擬重現出來，以致其故障模式（Failure Mode）與真正原因至今未明，上述說理也只是想當然爾。雖然如此但卻也觀察到了某些邏輯性的現象，以下即再試圖從原理探討上加以敘述。(9) 從底部之放大黑鎳表面可看到，其結構是一種有裂紋的黑泥狀組織(見下圖17左上畫面)，並從3萬倍以上的SEM相片看出鎳層組織並不密實，也幾乎沒有存在著形成銲點所必須的IMC（Ni3Sn4）。此時之含磷量已超過10%，證明所操作的化鎳槽液已十分老化了。一般新配槽液所鍍鎳層之含磷量約在56%左右，到了56MTO以後平均將會增加到910%，目前較保險的作業規範是控制其含磷量在79%。磷量低時容易形成IMC，故焊錫性較好，磷量較高時焊性雖較差，但耐蝕性卻較好，不過因過氧化物而產生的黑墊卻反倒未見減少。(10) 再用FIBM觀察某些黑墊區的斷層組織，發現各球狀鎳晶之界面均已被金水所深深刺入(見下圖17之右二畫面)。但此種異常並非隨機任意分佈，而是集中在某些特殊的焊墊表面。可能是由於該等焊墊之電場（Electric Field）或擊發電荷（Trigger Charge）較強，造成金水的攻擊特別猛烈，為證明此假想的可能性，於是就設計了下述的實驗。該實驗是將一個8層板，於板邊某些電容器所屬面積稍大之兩焊墊，各焊接上一條細線並引出水面，在進行“浸金”作業的同時，刻意設計三種試驗：(a)兩引線任其自由(b)將兩引線相