黑焊盘有关问题探讨及失效案例分析.doc

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