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黑焊盘有关问题探讨及失效案例分析本报编辑:韩双露 时间: 2010-1-28 17:32:23 来源: 电子制造商情 马丽利 赛宝实验室分析中心摘要: 本文从化学镍金的原理出发,探讨了黑焊盘的形成机理、影响因素及控制措施,并结合实际案例详细介绍了有关黑焊盘失效分析的思路和方法。关键词: 化学镍金 黑焊盘 失效分析Discussion for Black Pad /and/ Failure Analysis for Related ExampleThe No.5 Research Institute of MII, National Key Laboratory of Science /and/ Technology on Reliability Physics /and/ Application of Electrical Component, Guangzhou 510610, ChinaAbstract: In this paper, based on the process of ENIG, the mechanism of black pad formation has been presented in detailed. The reason /and/ prevention have also been discussed. With the failure example related black pad, the failure analysis method has been introduced。Key Words: ENIG Black Pad Failure Analysis1引言化学镍金(Electroless Nickel Immersion Gold, ENIG)作为PCB和BGA封装基板焊盘的表面镀层,目的是防止Cu基板的氧化并得到可焊接的表面。ENIG除了可以提供良好的焊接性能和接触界面之外,其成本相对与电镀镍金来说也非常有优势1,但是随之产生的众所周知的黑焊盘(Black Pad)现象却是一个令众多制造商和用户头疼的问题。本文就化学镍金的原理、黑焊盘的形成机理及影响因素进行探讨,并通过对PCB黑焊盘失效实例的分析,详细介绍其分析思路及分析方法。2 黑焊盘形成机理及影响因素探讨2.1 化学镍金的原理化学镀镍层实际上是镍-磷(Ni-P)合金层。镀液中的次磷酸根离子(P为P2+)在镀液中主要作为还原剂,但是P2+也可以发生歧化反应,自我还原成单质P,并和Ni原子一起沉积,同时有氢气(H2)放出2。从Ni-P二元相图来看,P在Ni中的溶解度非常小,其共晶点位置(势能最低)存在Ni和Ni3P两个稳定固相,其中Ni3P相更加稳定。化学镀金是一种置换反应,在镀液中,Au离子从基板上的Ni原子中得到电子,结果是Ni原子变成离子溶解到镀液中,Au离子变成原子沉积到基板上。2 Au(CN)2 + Ni 2 Au + Ni2+ + 4 CN 3当Ni层表面完全被Au原子覆盖时,即镀液和Ni原子不接触时,反应即停止。Au层的厚度通常在0.05-0.1mm之间,其对镍面具有良好的保护作用,而且具备很好的接触导通性能。2.2 黑焊盘的形成机理实际上,在镀金时,由于Ni原子半径比Au的小,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、多孔的形貌形成众多空隙,而镀液就会透过这些空隙继续和Au层下的Ni原子反应,使Ni原子继续发生氧化,而未溶走的Ni离子就被困在Au层下面,形成了氧化镍(NixOy)。当镍层被过度氧化侵蚀时,就形成了所谓的黑焊盘。焊接时,薄薄的Au层很快扩散到焊料中,露出已过度氧化、低可焊性的Ni层表面,势必使得Ni与焊料之间难以形成均匀、连续的金属间化合物(IMC),影响焊点界面结合强度,并可能引发沿焊点/镀层结合面开裂4,严重的可导致表面润湿不良或镍面发黑,俗称“黑镍”。2.3黑焊盘形成的影响因素及控制措施镀金时Ni层的氧化几乎是不可避免的,只是程度有差别而已。影响黑焊盘形成的因素有很多,且错综复杂。大量研究和实际情况表明,镀层中P的含量是整个镀层质量的关键。当P含量在7%-10%之间时,Ni层的质量比较好。前面已经提到,Ni层中有两个稳定相Ni和Ni3P,如果P含量偏高,表明Ni层中的Ni3P相的比例多,而Ni3P势能比Ni更低,更加稳定,不容易发生反应。因此P含量越多,Ni层的抗蚀能力越强,但是焊接时,直接与焊料形成IMC的是Ni,Ni相占的比例少,就会影响焊盘Ni层的润湿力。相反,如果Ni层中P含量偏低,表明Ni相占的比例相对多,那么整个Ni层的势能也偏高,就相对不稳定,容易发生反应,但是润湿力也相对好。目前控制Ni层质量主要分为两方面 ,第一,就是化学镀镍阶段,目前采取的方法是调节镀液的PH值和温度,使P含量维持在正常比例范围之内,Ni晶体大小均匀,排列致密。因为PH值升高,Ni的沉积速率加快,P含量就偏低,反之,随着PH值的降低,P含量就升高3。目前制造商们普遍采用的方法就是更换化镍槽。这样做的目的就在于减少镀液中H3PO3的含量,控制PH值,使Ni层中的P含量维持在正常的范围之内,保持好的润湿力和抗氧化能力,减少或者延缓Galvanic效应。第二,就是化学镀金阶段,这个阶段相对复杂。主要的工艺参数包括Au的沉积速率和沉积时间,镀液温度和添加剂。其中镀液中添加剂的种类及用量是很关键的,其作用一是促使Ni离子溶解,防止Ni离子转变成Ni盐沉积附着,二是加速Ni原子氧化。3 失效分析案例3.1失效概况及分析过程某PCB经回流焊之后,部分焊点焊接不良,出现了反润湿的现象,且焊盘发黑,所用的焊料是Sn96.5Ag3.0Cu0.5(SAC305)。不良焊点的外观照片见图1。焊点出现反润湿,一方面可能是焊料的润湿性不良,这个利用可焊性测试仪进行焊料的可焊性评价很快就可以排除,那么另外一方面就是PCB焊盘的问题了。对不良焊点进行扫描电镜(SEM)分析,发现焊点周围有较多的不导电物质,进一步用X射线能谱仪(EDS)分析,发现不导电物质是助焊剂。采用异丙醇将助焊剂洗掉之后再对失效焊点进行SEM分析。因为焊接后,焊盘表面Au层已经扩散走,只剩下Ni层。发现露出的Ni层已经出现腐蚀,具有明显的黑焊盘特征,见图2。 图1 失效焊点外观 图2 反润湿焊盘镍层的微观形貌为了确认Ni层腐蚀的程度,对反润湿的焊盘位置进行切片,发现侧向腐蚀最深已经超出了Ni层厚度的一半,大约有2.8mm,且焊盘的边缘位置腐蚀程度更深,见图3。这种腐蚀必定给焊接时Ni和Sn的合金化带来不良影响。对同一块失效PCB上未焊接的焊盘的Ni层进行扫描电镜分析,同样发现Ni层也已经有明显腐蚀,但是腐蚀程度没有失效位置深,见图4。这和部分焊点失效的现象吻合。 (a) (b)图3 反润湿焊盘的横截面微观形貌 (a)靠近焊盘中间位置 (b)焊盘边缘位置 图4 同一失效PCB上未焊接焊盘的镍层表面形貌及横截面形貌 3.2 分析结论焊点出现反润湿的主要原因是焊盘的镍层已经氧化腐蚀,直接影响了焊料和镍之间的合金化。4 结束语随着ENIG的普遍应用,黑焊盘问题已经是个亟待解决的问题。本文首先对黑焊盘的形成机理及影响因素进行了探讨,接着解释了控制镍镀层P含量的原因及重要性,最后结合实例介绍了黑焊盘失效的分析思路及方法。 参考文献1 上官东凯.无铅焊料互联及可靠性译北京:电子工业出版社,2008.2 A. H. Graham, R. W. Lindsay /and/ H. J. Read, J. Electrochemical Society J,April 1965,p4013 李乙翘等.印制
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