化镍浸金焊接黑垫之探究与改善(下篇).doc

精品文档化鎳浸金焊接黑墊之探究與改善（下篇）TPCA技術顧問白蓉生本文原載於TPCA會刊第十五期三、各種重要研究報告之內容摘要3.2 美國ITRI（互連技術研究協會）針對ENIG的專案研究（略）3.2.4 美國ITRI化鎳浸金專案研究的結論（2001年3月)1. 假設載板與組裝之焊墊與錫球之品質，彼此都相同而暫不加以考慮時，則其銲點強度與可靠度將直接與IMC本身的強度有關。由於噴錫與OSP製程在焊接中所形成的IMC為Cu6Sn5，且又未遭其它不純金屬（如金、銀等）的熔入而污染，故所表現出的強度自然最好。2. 至於浸銀或浸錫兩種製程仍屬資淺，極薄的浸銀層（2-4 m）在焊接過程中將迅速溶入銲錫而消失，與ENIG的金層所表現出來的行為完全相同，只不過是ENIG的IMC是Ni3Sn4，而浸銀的IMC卻是Cu6Sn5反倒較強而已。然而Ag的不耐老化性，使其在空氣中極易變質，與之ENIG的耐污耐久相比，則又不如遠甚。至於浸錫層則於焊點中會迅速形成Cu6Sn5的IMC，即使無焊接處的浸錫層也會逐漸被底銅所吸收成為IMC，使得外觀上也由先前的亮白色而老化轉為灰白色。3. 由前可知ENIG所得Ni3Sn4先天不足之IMC使然，即使強度再好也不會超過噴錫與OSP。想要自黑墊的陰影中全身而退也幾乎不可能。在嚴加管理下並以縮短槽液壽命的方式來提高良率，雖非睿智之舉，但亦屬無可奈何之中的免強出招。 3.3 另篇黑墊論文佳著Black Pad：ENIG with Thick Gold and IMC Formation During Soldering and Rework（IPC 2001論文集S10-1-1）本文甚長共有18頁且含46張照片，作者Sungovsky及Romansky均任職於加拿大之Celestica公司（CEM廠商類），與前ENIG專案負責人Houghton皆屬同一公司。本文亦從模擬實際板的焊接及拉脫著手，而仔細觀察黑墊的成因。並對ENIG的層次結構深入探討，更值得的是尚就故障銲點與脫落元件提出了挽救的辦法，是其他文獻所少見。現將全文要點整理如下：1. 綜合前人研究認為BGA的圓墊與QFP的長墊，其等銲點的脫裂與黑墊的發生，是一種難以捉摸的偶發性缺點（Sporadic Depect）。發生的可能機理（Mechanism）係於置換反應中，當一個體形較小的鎳原子（氧化）溶走的同時，會有兩個體形甚大的金原子（還原）沈積，在晶格成長時會造成全面推擠性的差排（Misalignment），因而使得鎳與金的界面中出現很多的空隙疏孔，甚至藏有藥水等，容易會造成鎳面的繼續鈍化及氧化。圖38.左為已有黑墊的銲點用牙籤即可推裂，摧枯拉朽莫此為甚右為移走零件腳後的墊面黑垢，災情嚴重下場淒慘。2.3. 置換反應中金水過度活躍又猛攻含磷較多（9%以上）的鎳層，以致在鎳金界面中形成的各種黑墊的惡果（即前文3.1中Biunno的發現）。金層不宜太厚，否則對強度不但無益反而有害(拜託！老師傅們請千萬別再自作聰明自以為是了！)，即使未能全數溶入焊錫之中時，還會積存而以AuSn4參與黑墊的犯罪組織。4. 化鎳藥水管理不善，綠漆硬化不足，以致有機物溶入甚多，使得黑墊中不但為NixOy的主成份外，亦發現碳的含量頗高。5. 曾用XRF量測實驗板上QFP與BGA等總共239個焊墊，以及通孔環面的鎳厚與金厚，發現鎳厚的變化很大（75 in-224 in），金厚的落差也不少（2.2 in-7.5 in）。通常鎳薄處金層會較厚，尤其在各焊墊轉側壁的直角處更是異常。6. 化鎳層是呈片狀(Laminar)生長的瘤狀結晶（Nodule Structure），其瘤徑大小約900-5000nm，分別有微結晶與非結晶兩種組織，與添加劑有直接關係。其添加劑多集中在瘤體的邊界處，使得該接壤區域的自由能較高，以致耐蝕性變得較差，因而十分容易受到金水的攻擊。嚴重時甚至發生鎳與金之間出現多層交互堆積的現象，進而妨礙IMC的生成並導致銲點強度的脆弱不堪。圖39.左為化鎳的片層狀與瘤狀組織，右為浸金後金原子取代了自由能較高的鎳地盤，而成為交互積層的怪異現象。7.8. 焊接的瞬間金層會以1.33 m/秒（比常溫快30-40倍）的溶解速度溜進銲錫之中，而鎳的溶速則很慢，僅0.002 m/秒而已。通常銲錫對金的安全溶解度約為3-4%的原子數比率，但鎳之可溶原子數卻更低到10-5%，相較之下金溶入的速度對鎳而言應在數萬倍以上。故知在焊接的瞬間，薄薄的金層（2-4 in）早已消失而進入銲錫的主體去（通常原子數之含量約為0.03-0.04%之間，一旦超過0.3%時銲點會變脆），使得鎳與錫會在較慢速度下形成IMC而焊牢。9. 在鎳表面形成銲點的IMC是以Ni3Sn4為主體，而且在錫鎳界面之間還會緩慢的長厚。一般焊接中銅與錫親合速度要超過鎳錫的10倍以上，在較易又較快生長IMC的情形之下，銅面銲點自然要比鎳面焊點更為牢靠。從EDX及高解析度SEM的分析看來，黑墊中有鎳、磷及錫的存在，其組織呈碎片狀而且十分脆弱，並含有相當多的金成份在內。對QFP銲墊而言，甚至還會出現來自底層Cu6Sn5的銅錫IMC，使得原本附著力低落之焊點變得更加軟弱。幸好BGA電鍍鎳金載板的球腳中，從未發現銅的存在而得以倖免此一另類疾病。10. 由於進行ENIG之鍍金時，有機物也會共鍍於金層中，不幸後續的高溫焊接之際，該等有機雜質又再被析出而浮現到表面上來。此時可採用很強的助焊劑在高溫烙鐵的協助下，能將黑墊予以溶解移除（會呈現起泡情形），並利用某種銅編線（Braid）將之吸走而得以清除。之後再添加新鮮的焊錫使形成良好的IMC，進而再造可焊接的全新基地。Celestica公司曾做過一些勾腳（J-Lead）銲墊的重工，發現再焊後的銲點強度都很堅固，其IMC中發現有Ni3Sn4及Ni3Sn2兩種頗強的結構存在。經由黑墊重工後的銲點與原本良好的銲點，在相同條件的拉脫試驗對比之下，發現兩者數據上相差不大，下表即為兩者間數值的對比。 表3. 原裝銲點與重工銲點拉脫強度之比較原裝焊點重工焊點平均值671.5626.0標準差98.5108.9最低值317.8313.0最高值808.1952.63.4 另篇Study of Mechanism Responsible for “Black Pad”Defects in PCB Using ENIG as a Final Finish本文為Atotech之美國分公司（即原先之Chemicut著名蝕刻機業者）Kuldip Johal發表於IPC 2001論文集中，編號為S10-4-1共8頁，計有22個圖及5個表。全文內容除說明黑墊之為害與可能成因外，並試圖找出黑墊的真正機理（Mechanism），也就是：1. 化鎳層在金水中受到有機酸與錯化劑之攻擊所產生之賈凡尼效應（Galvanic Effect），其細節到底為何？2. 改變化鎳的操作範圍使產生不同的結構，並讓金水中操作的化鎳層，刻意在其表面積大小上加以變化，然後觀察其所引發的電性效果，3. 討論金水配方中所用各種錯合劑（Complexing Agent），分析其所產生置換速度的不同與其他影響；並對金沈積的速度加以控制，而試圖避免黑墊的發生。以下即為其重點之整理： 3.4.1板面BGA或CSP圓墊銲點強度不足，甚至後續出現黑墊的原因可能有四；1. 元件與組裝板之間因熱漲係數（CTE）之差異而拉裂，由於載板本身之板材為BT而具較高的Tg，且所鍍之皮膜為真正直流電的電鍍鎳金，而非化鎳浸金的置換反應，少了磷的干擾與黑墊的攪局，其焊點強度自然要比ENIG優異甚多。2. 綠漆失準或硬化不足而對鎳水與金水造成污染。3. 置換金層之厚度太厚，尤其是超過5 in者。4. 元件安裝之腹底未加“底膠”（Underfill）之補強，無法減少或吸收應力所造成的傷害。一般而言由於黑墊發生機遇率很低，且其參與的因素又很複雜，致使真正的根本原因至今尚未水落石出 圖40.大凡有問題的 ENIG銲墊，經氰化物剝金後，變質的不良鎳面立即原“黑”畢露無所遁形。3.4.2發現某些QFP焊墊不良，若干局部墊面出現金面變色變暗，經氰化物剝金後在SEM之1000倍放大下，發現有“黑泥”狀裂痕（Mud Crack）。此時所見不但沈積的金層太厚，而且金水還已向鎳瘤之界面處深深刺入，此種激烈的置換反應自必為害甚巨，經驗上刺入深度最好不要超過鎳厚的30%。3.4.3建議化鎳的起碼厚度為160 in，因當鎳厚不足時其瘤狀結構之起伏落差過大，將使得金水攻擊界面的效果更猛，甚至可能會穿過鎳層而到達銅面，如此難免使得後續的銲點強度更加有問題。圖41.左為厚度低於100mm薄鎳層其眾多溝紋之外觀，右為厚度200 mm以上晶瘤變大溝紋減少的改善畫面。3.4.4化鎳之新槽液作業時，沈積速率甚快且含磷也較低，一般而言此時之焊錫性雖較好，但抗蝕性卻較差，對置換金來說可能更會引發過度活躍，故建議磷含量應訂定在7-11%的wt（重量比），而不宜墨守先前4-6%wt之成規。金層太厚當然是來自鎳層已遭強烈的攻擊，這正是黑墊形成的主因，故金厚度宜訂為2-5 in。圖42浸金製程中刻意加速其置換速度者，將出現金層的浮離或起泡，千萬別忘了“欲速則不達”的老詞。3.4.5待鍍面由於賈凡尼電性的差異而形成黑墊者，已從實驗中模擬出來，此點堪稱是補充ITRI專案計劃所未能全然達成的目標，下述者即為其實驗經過：QFP焊墊之不良品或已有黑墊者，有許多是連通到較大面積的PTH，猜想可能置換反應的快慢強弱與賈凡尼電性有關。由計算得知QFP狹長型焊墊之面積為0.2mm2，所連0.4mm孔徑之PTH其孔壁面積（尚未包含兩外環在內）為2.75mm2，兩者面積比為1:14，一旦再加上孔壁露銅的參加攪局，將使此等QFP焊墊出現焊接不良或黑墊的機會大增。為探知此種因素與化學電池之關連性，於是ATO公司就設計一項簡單的實驗而設法模擬黑墊的生長過程。圖43.凡PTH中一旦被綠漆堵塞則孔壁必然露銅，於是鎳後的浸金中，將使所連通到板面的小型焊墊上長出黑墊。如下圖，使用兩條鍍過化鎳與一條裸銅的樣板，並對裸銅面積則刻意加以變化。然後將三者一併浸入高溫金水中，其中NO.1的鎳樣是與銅樣相連。由於銅面安定性比鎳面要好（也就是鎳比銅更活潑），故在金水中置換反應的競爭下，銅會強迫鎳加速氧化而讓金的沈積也變快。但槽中的NO.2的自由鎳板，則只進行常規性的置換反應，而令其當成評比的參考。共做9次實驗後所得資料如後頁之表4：圖44.阿托科技公司美國廠模擬黑墊之實驗法。表4. 金水中置換反應與賈凡尼電性及黑墊生成之關係由上述及後續其他實驗得到一些結論如下：1. 鎳槽中板面各種獨立或相連的大小待鍍區，其各自所得到的鎳層厚度，與面積的差異或彼此是否發生電性相連的關係很小（但若露銅則另當別論）；且剝金後也都未出現黑墊。2. 化鎳厚度差異的主要原因是來自溫度與pH等參數的變化，兩者愈高則厚度也愈厚。故生產中要注意其加熱器附近，或調節pH的加藥區附近，是否會出現參數劇變的效應。3. 除鎳厚度受到溫度與pH之左右外，鎳層之含磷量也會發生 1%的變化。4. 不管所鍍的鎳層是否有厚有薄，只要後續鍍金的條件不變，其所得之金層厚度也都幾乎相同。 3.4.6酸性金水中錯化劑（Complexing Agent）對黑墊所產生的影響從多方面的資料看來，浸金層太厚時（5 in以上），當然會造成底鎳的過度腐蝕，除去溫度與時間等基本鍍金操作參數外，金層的沈積速率還與其他幾種參數有關，即：1. 底鎳的表面形態（Morphology）。 2. 鎳層之含磷量（by Wt）。 3. 金水中所採用錯化劑的不同。 金水中錯化劑的主要功用，是為了防止被咬下的鎳離子，防止其轉變為不溶性鎳鹽的沈澱。換言之就是錯化劑會捉住游離的Ni+而形成仍然可溶的錯離子（Couplex ion），如此方不致在金面上出現顆粒附著性的金面污染。錯化劑的第二功用是當成置換反應的加速“剝鎳劑”（Nickel Stripper），故知咬鎳太快時，當然就免不了會產生鎳的黑墊與金層的過度堆積。但不含錯化劑時又很難鍍上金層，所以如何慎選慎用錯化劑是浸金製程成敗的關鍵。ATO公司的此一實驗，即證明了金的沈積的確已是受到錯化劑的支配，故知此錯代化劑在配方的拿捏，是如和的關鍵。該針對Complexor實驗的做法，是將浸在金水中的鎳面與另一金線相連，其間並跨接一個精密電位計於其間，於是在溶鎳沈金的置換過程中，同時可測出鎳面“負電位”（Electronegative Potential）的大小。負電位愈強時鎳金屬的氧化能力愈弱（或金的還原性愈差）。ATO公司選用三種錯化劑及無錯化劑之金水試樣（金含量均為2g/l及pH4.8），按一般條件去進行鍍金，下圖45及表5即為其實驗數據與實驗架構。圖45.左為三種不同金水中，所得金厚度差異的比較；右為實驗理念之簡圖。上述實驗還看到了另一事實，那就是當金水使用了前兩種錯化劑，只要沈金厚度超過6 in時，其剝金後的鎳面都會發黑。第三種的咬鎳速率極慢，即使浸鍍30分鐘所得之金層也只有3.2 in而已，故並未發現鎳面之黑墊。第四種無錯化劑者則根本不會發生置換反應。表5.金水中錯化劑對金厚度與鎳面的影響3.4.7結論1. 為了強化鎳面晶瘤之間的“界溝”，而不致被金水集中攻擊的考量下，鎳厚度至少須在160 in（4 m）以上。為了降低金水對鎳層的過度傷害，以便減少黑墊的發生與改進銲點強度起見，金層厚度不宜超過5 in，最好控制在3.2到3.6 in左右。2. 當板面之小銅墊已有導線連通到大銅面（比例達16:1）時，則在後續鍍金的過程中，會在小墊上發生異常溶鎳與沈金的劇烈反應（尤其所連者為鍍不上鎳裸的銅面時），極有可能發生黑墊，此即賈凡尼電化學作用的明證。不過此現象在第二次實驗的大小鎳面上，卻又未能再次出現。3. 金水中所添加的錯化劑會影響到金層還原的速率及金層厚度，尤其當鎳層的磷含量較低（5-7%）時，效果將更為明顯。以上各實驗及所得結果均是針對ATO的槽液而言，其他藥水是否有相同的結果則不得而知。 3.5 其他有關ENIG之論文摘要（略）3.5.6另外6Shiply曾在2000/10的Circuitree有一篇文章，提到鎳層的卵石狀結晶是源自銅面的微粗化與具瘤狀的活化鈀層（上村公司亦有相同的看法），此種瘤狀組織愈粗糙時，浸金時裂縫中的金愈少，造成面金與深溝中的電性差異，在賈凡尼效應下對鎳的攻擊愈猛。但當化鎳層愈厚時表面也愈平滑（通常要求應在160 in以上），以減少局部過度腐蝕與造成黑墊的機會。磷含量會影響結構與抗蝕力（不宜與抗自然氧化混為一談），在7%以下時呈微晶狀（Microcrystaline），7%以上時呈非晶之不定形狀（Amorphone）。圖48.左為化鎳最初生長的懸殊結晶之微觀，右為厚度160 mm以上較均勻的表面。3.5.7剝錫成裸銅板時要做得徹底，以免殘餘錫或錫鉛層造成賈凡尼效應對銅面的過度腐蝕。綠漆的硬化必須完善，以免綠漆在高溫鎳水與金水中遭到漂洗（Leaching）。此二因素皆會影響鎳層瘤狀的大小。3.5.8鍍鎳的速率要放慢以減少瘤狀與深溝，操作中的pH要控制在 0.1的範圍（不可冷後再測），液溫也要在 1之內。安定劑（Stabilizer）的管控要按供應商的規定，超規時將會發生漏鍍（Skip Plating即露銅）或邊緣露銅現象。金水的溫度與濃度也舉足輕重，溫度太高與金量太小將會造成鎳層的過度腐蝕與金層覆蓋太慢太薄，黑墊發生的機率當然就會上升。鍍金後的情況絕對重要，任何目視不到的不潔，都將會導致免洗錫膏中軟弱助焊劑的無能為力、高溫水沖、純水熱洗、外加強力的機械助力（如超音波或吹氣等）都絕對必要，之後清潔的熱風乾風乾燥也是成敗的關鍵。四、半置換半還原金層對黑墊的改善日本上村（Uyemura）曾在IPC發表多篇有關ENIG焊錫性及銲點強度的文章，最有創意的是更改配方為半浸鍍及半還原的複合金層（商名TSB-71），以減少對鎳層的過度攻擊。此種改善措施其減少黑墊的成效極為顯著，現將兩種不同金層之表現綜合整理如下：4.1上村已研發5年的TSB-71金水配方中，曾加入某些還原劑，使在鍍金的後半歷程中，不再是攻擊鎳而得到置換金（Substitution），而是改採還原法得到了較緻密的還原金層（Reduction），對於難以捉摸的黑墊問題，目前已迎刃而解。除了金價以外其他成本約上升2.5倍，此種高價對於FC-BGA等高階封裝板尚可忍耐，一般產品（如手機板或卡板等）將不易負擔。圖49.左為65% 置換加上35% 還原可耐黑墊的特殊商用金層；右為100% 置換的一般商用浸金製程。4.2上村曾用氰化物將兩類鍍金層同時剝除，除比較其鎳面是否有黑墊黑點等目視缺點外，並利用ESCA（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis）去分析鎳層瘤狀結晶，偵測其界隙中是否藏有深深刺入的微量黃金。一般ENIG均難逃此一靈敏檢驗，而TSB-71卻無跡可尋。圖50.此係剝金後之對比：左為置換與還原合併之金層其底鎳十分完好；右為一般浸金層，甚底鎳已出現黑點黑線了。4.3此TSB-71現已在覆晶（Flip Chip）式高階載板（如P4之CPU）的量產中使用，下游客戶所關心的植球剪力（Ball Shear）測值，均遠優於一般置換型的浸金層。甚至還將兩類試樣分別在1N的鹽酸浸泡6小時，再於其惡劣老化之後進行Dage測儀的推球剪力試驗，所得結果不但優劣立判而且數據相差很大。圖51.左上為Dage 試驗機推球試驗之現場實物圖 ，左下為試驗之規格。右為新型半置換半還原之浸金與傳統浸金金，兩種浸酸後推再球所得數據的優 劣對比。4.4分別新配置換型與複合型等兩種金水，將相同的化鎳層各自浸入鍍金，發現TSB-71在複合型金水中的溶鎳量遠低於置換型之金液，此亦證明後者攻擊鎳層的程度遠超過前者。 圖52.左為一般純置換金對置換加還原等，兩種金水中在溶鎳量上的比較，輕咬的鎳當然黑墊機會也會少。右為比較各種可焊皮膜老化後焊接品質的散錫能力試驗儀器。4.5再利用“散錫能力”（Solder Spreading）來比較兩者之焊錫性，亦可明顯看出TSB-71之底鎳層，在未遭蹂躪下的優異焊錫性。上村亦曾利用本試驗比對ENIG與浸錫或浸銀等製程，在各種老化條件下評判其焊錫性，發現此二新製程目前都還不是ENIG的對手。五、全文總結論1. ENIG中金層的用途只是在保護鎳層免於生鏽而已，並未參到銲點結構中去。金層愈厚則界面品質愈差，而銲點也愈形脆弱。千萬勿再自作聰明以為金層愈厚愈好，“鹹鴨蛋是鹹鴨子生的”這種老師傅型自以為是的歪理，實在