00036-化学镍与浸镀金之考虑.doc

化学镍与浸镀金之考虑 作者：白蓉生先生 概说（general） 化学镍金是一种通俗说法，正确的名词应称为化镍浸金（electroless nickel and immersion gold: en/ig）。化学镍层的生成无需外加电流，只靠高温槽液中（约88）还原剂（如次磷酸二氢钠nah2po2等）的作用，针对已活化的待镀金属表面，即可持续进行镍磷合金层的不断沉积。至于浸镀金的生长，则是一种无需还原剂的典型置换（replacement）反应。也就是说当化学镍表面进入浸金槽液中时，在镍层被溶解抛出两个电子的同时，其金层也随即自镍表面取得电子而沉积在镍金属上。一旦镍表面全被金层所盖满后，金层的沉积反应逐渐停止，很难增加到相当的厚度。至于另一系列的厚化金，则还需强力的还原剂方可使金层逐渐加厚。 一般而言，化镍层厚度几乎可以无限增长，实用规格以150200微吋为宜，而浸镀金层的厚度则只23微吋而己，厚化金有时可达2030微吋，当然价格也就另当别论了。后表1即为化学镍（美式说法称为无电镍）之一般物性。 表1.化学镍（无电镍）镀层之重要物理 物理性质测值测试方法hardness硬度500700 hv100vickers500700hk100knoop4555 rcrockwelldensity密度7.98.3g/cm3pure ni=8.90melting point熔点8907p10%thermal expansion热膨胀1215mm/m0100wear resistance耐磨性1418twiweight loss(taber wear index)1000 revs. 10nelectrical resistivity电阻系数5590mwcmelongation延伸性12.5%instron pull testinternal stress内应力05 kpsi tensilefrom 106% p:1milthermal conductivity导热系数0.01 cal/。cm secphosphorous磷含量610%icp aagrain size晶粒大小0.0010.01mm(10100a)x-ray diffractiontensile strength抗拉强度500750n/mm2instron pull test 焊接（soldering）事实上板面化镍金所形成的焊点（solder joint），其对零件之焊接（soldering）强度（strength）几乎全都建筑在镍层表面上，镀金之目的只是让镍面在空气中受到保护不致钝化或氧化，维持起码的焊钖性（solderability）而已。金层本身完全不适合焊接，其焊点强度也非常不好。 在高温焊接的瞬间，黄金早已与钖组成不同形式的接口合金共化物（imc,如ausn,ausn2,ausn4等）而逸走，因而真正的焊点基础都是着落在镍面上，焊点的强弱与金无关。也就是说焊钖（solder）中的纯钖（tin），会与纯镍形成ni3sn4的imc（intermstallic compound）。薄薄的金层会在很短时间内快速散走，溜入大量的焊钖中。金层根本无法形成可靠的焊点，而且金层越厚时溶入焊钖中也越多，反而使整体焊点强度为之变脆变弱。 硬度（hardness）与打线（wire bond） 化学镍本身约含磷份6%10%，此磷含量会影响到硬度。若此化学镍金层当成打线（wire bond）的基地时，则镍层的硬度颇具关键性。硬度不足加上打线的高温，会使得板材软化中（超过tg）用力压下打成扁点（wedge bond）时，其所亟需的支撑力难免会有所欠缺，进而使得对结合强度（bond strength）的拉力试验无法及格。 一般焊接用途的化镍层并不讲究硬度，但汽车零件中某些指定镀化学镍而要求耐磨者，则对硬度丝毫不能含糊。目前开发的镍钯金三合一化学镀层，在打线方面的效果要比现行的镍金双层更好。 疏孔度（porosity） 由于浸金之厚度很薄，难免会有疏孔（pore）存在，致使底镍未被完全保护。一旦停留在湿气环境中稍久，则将产生贾凡尼效应（galvanic effect）式的电化学腐蚀。也就说当疏孔面对电解质环境时，黄金层将扮演高贵而不腐蚀的阴极角色，但却强迫底镍层扮演加速腐蚀的阳极倒霉份子。一般en/ig层根本无法通过硝酸蒸气对疏孔的检验法（ipc-tm-650,2,3,24,2），但却可采用红血盐试纸法（potassium ferricyanide）去检测疏孔所出现的蓝点。在100倍放大观察下，良好的化镍浸金层，其所出现的蓝点不可超过10 pores/mm2。 恶劣环境放置太久造成镍锈自疏孔向外冒出时，将会使得焊钖性变差。且该种镍锈也无法被一般助焊剂所能清除，即使勉强将零件脚焊接在有问题的化学镍金焊垫上，也是一拉就掉根本未焊牢，因其间并未形成imc之故，只是一种冷焊或假焊而已。 甚至用力拉脱后还常见到底镍层已经出现黑色的氧化镍。因而化镍浸金流程的最后清洗，一定要用良好的热纯水去彻底漂洗清洁疏孔的化学品，并随即迅速热风干燥与密封包装，以保护其焊钖性不致提早结束。之后还需要避免任何酸碱接触的机会，且当焊钖性不佳时也不可采用酸洗，连焊接所用较强之助焊剂也应彻底除尽，避免在疏孔处继续底镍的加速锈蚀。否则焊点强度减弱随时都会脱落，甚至分开所见之底镍多半已经变黑。 高频讯号（high frequency signal） 微波通信机器或高频电子产品（10 ghz以上）中，其所用电路板最好不要镀en/ig，也不要采用电镀镍。因在集肤效应（skin effect）下，高频讯号绝大部份是经导线的表皮所传输的。铜的电阻系数最低（1.7m w cm），电镀镍不好（7.4m w cm），而化学镍更差（5590m w cm），故镍层会造成高频讯号（signal）能量方面的损失（signal loss），不可不事先考虑。若必须镀镍时其厚度也应低于2.5m m（100m in），以减少功能方面的异常，一般业者对比了解者不多。 阻隔效应（barrier effect） 电镀镍或化学镍，对金与铜之间的迁移（migration）或扩散（diffusion）都具有阻绝效应，后者尤佳。当板子处于高温环境中时，金与铜的相互往来将会增快。以板边金手指而言，其接触电阻（contact resistance）的质量对整体功能颇具举足轻重的地位，一旦金层遭铜侵入，整体功能自然受损。下表2即为各种镍层厚度经1000小时高温考验后，其接触电阻值劣化的对照数据。 表2.电镀镍层在不同高温经1000小时老化后接触性的保持情形 g/f中镍厚度65中之接触性125中之接触性200中之接触性0.0mm100%40%0%0.5mm100%90%5%2.0mm100%100%10%4.0mm100%100%60% 由表2之实验数据可知，低温环境中铜与金之间的迁移并不会造成接触电阻的障碍，甚至无镍层的存在也不致发生太大的麻烦。常用的大哥大手机与呼叫器等，其化镍厚度只需80m in即已足够达到阻隔效应。现实中一般规格对镍厚都要求在150m in以上，似嫌稍苛。 化镍层除了能隔绝铜与金之间的不良互动，而将金面的接触性维持良好外，还可阻止焊钖性的劣化。因当金层直接触及铜面时难免不会有少许的铜份混入金层，如此一来其焊钖性将会迅速恶化。化学镍层在这方面的能耐要比电镀镍层高出210倍之多，相信是拜镍磷合金之所赐。 表3.高温中铜成份穿过各种厚度化镍层向金层渗透的结果 化镍阻隔厚度400 24hr.400 53hr.550 12hr.0.25mm0.50mm1.00mm2.00mm1mm1mm1mmno diffusion12mm6mm1mmno diffusion18mm15mm8mmno diffusion 事实上当焊接完成后，其焊点结构成也就开始了缓慢的老化，例如铜与钖之接口间会在焊接瞬间形成cu6sn5之良性界面合金并化物（imc），也唯有如此才得以具备良好的机械强度（mechanical strength）。不幸在铜与钖的缓慢互动迁移之下，终究会产生恶性的cu3sn以致焊点强度衰退。这种老化现象不但无法避免，且当环境温度愈高时衰老也愈快。表4.各种金属溶入焊钖之溶速金属温度溶入速度（微吋/秒）gold450486117.9167.5copper45052