化学镍金与电镀镍金表面处理焊盘的比较研究

1、化学镍金与电镀镍金表面处理焊盘的比较研究罗道军贺光辉中国赛宝实验室广州510610，luodj摘要本文对比分析了化学镍金处理的焊盘与电镀镍金处理的焊盘的形貌、结构以及润湿性 能差异，并给出了使用这两类表而处理的优缺点以及针对相应问题的预防控制措施。关键词：化学锐金电镀镍金表而处理 引言由于化学镍金（enig）表而处理以及电镀镍金表而处理的突出的可焊性好和平整度好 的优点，使得越来越多的电子产品使用镍金表而处理的pcb。m时由丁使用镍金镀层的焊盘 讨以邦定的m时还可以耐高溢的老化，甚至在无铅工艺条件下讨以经过23次的焊接后，未焊接的焊盘仍然可以保持很好的町焊性。血价格相对低廉的有机助焊保护膜（o

2、sp）和热 风整平处理（hasl）的合金可焊性涂层由于其不耐高溫老化或是平整度不能满足円益增长 的细间距安装的耍求。因此，随着屯子产品的小型化与无铅化以及人们对高讨靠性的耍求， 镍金表而处理焊盘的印制电路板的使用将越来越广泛，但是选用化学镍金还是电镀镍金的表 而处理,哪个更合适呢？本文将探讨化学镍金与电镀镍金的差奸以及各pl存在的可靠性风险, 以及预防风险的措施。1化学镍金与电镀镍金的基本工艺化学镍金最大的优点之一就是工艺相对简单，只需使用w种失键的化学药水，即含有次 磷酸盐与镍盐的化学镀液与酸性金水（含有kau （cn） 2）。工艺一般先经过酸洗、微蚀、 活化、化学镀镍、清洗、浸金等过程，矢

3、键的步骤是在铜焊盘上a催化化学镀镍，通过控制 时间和温度以及ph伉等参数来控制镍镀层的厚度；再利用镀好的新鲜镍的活性，将镀好镍 的焊盘浸入酸性的金水中，通过化学置换反应将金从溶液中置挽到焊盘表而，而部分表而的 镍则溶入金水中，这样只耍置换上来的金将镍层完全蒗盖，则该置换反应自动停止，清洗焊 盘表而的污物后工艺即讨完成。这就是说化学镍金的丄艺相对容幼控制，这时的镀金层往往 只有约0.030.1微米的厚度，且各种形状或各部位的镀层厚度都均匀一致。电镀镍金是通过施电的方式，在焊盘的铜基材上镀上一层低应力的约35微米的镍镀 层，然后再在锐上镀上一层约0.010.05微米的薄金，在电镀液一定的情况卜，通

4、过控制电 镀的时间来实现对镀层厚度的控制。其它的工艺环节如清洗、微蚀等基本与化学镍金的无异。 化学镍金与电镀镍金做的工艺最大的差异就在镀液的配方以及是否需耍电源。对于涂了阻焊 膜的裸铜板通常不容易使每个需耍镀的区域都加上电了，则这时只能使用化学镀。无论是化学镍金或是电镀镍金，对用于焊接的镀层的实质言，真正需耍欠注的是镍镀 层，因为真正需耍焊接形成金属间化物的是镍而不是金，金仅仅是为了保护镍不被氣化或腐 蚀，金层在焊接一开始就溶解到焊料之中去了。w此，组装丄艺前加强对各镀层表而处理的 质量检查或控制是非常必耍的。由于工艺的差奸，导致了w种镀层质量的差异、特別是在结 构、硬度、可焊性等方而存在明显

5、的不m。2试验研究本文选择了生益电子提供的化学镍金以及电镀镍金处理的手机主板各一批，使用 xl.30&dx-4i型兮的扫描电镜和x射线能谱仪(sem&eds)分别观察了两种工艺所生产的镍 金镀层的微观结构；m时使川sat-5100的丸性测试仪依照ipc/j-std-003b标准测试这两种 类型的pcb w盘的卩tw性；再川型兮为430sva的显微维氏硬度计來分析比较化学镍金与hi 镀镍金的镀层的硬度差异；卜*一步将扩人研究样品的范围，丼使川xrd对镀层的结晶状况 进行分析，主要关注导致可焊性差异的原因。3结果与讨论3.1外观及结构的差异川电镜在不同倍率下分别观察化学镍金与电镀镍

6、金镀层的表側结构差异。由于迕焊接时 真正形成合金层的是金下而的镍层，因此川温和的氘化物蚀金水去除金层(不腐蚀镍层) 再川电镜观察并比较两种工艺条件所获得的镍镀层的微观状况。图1是不同放大倍数下金锻 层表曲'的电镜照r，n*见化学镍金与电镀镍金冇显著的不同，前者冇明显的不定形的结晶顿 粒结构，p者则结晶细腻平滑。去金p镍镀层的外观结构与去金前的类似，见图2。造成这 种结构的差异的原因与镀层的形成机理不同冇失，化学镍金是通过自催化反应的方式沉税上 去的镍底层，s换反应沉积底金层，化学反应产生的沉积层一般结晶颗粒人而呈不定形的非 晶态。而电化学反应沉积的镀层结晶细腻而规则。x5(x)化学镍金

7、，金镀层结构x5()(x)化学锞金.金锼i结构acc v spot magndotwd exp1i 60 |imiookv3.o 500xse10 1 1yuan au face-1x500电镀锞金.金镀芎结构acxv spot magn dot wd exp i1 bpm10 0kv30 6000x se 101 1 yuan au face-4x5(km)电镀镍金，金镀层结构罔1不m倍率下化学镍金与屯镀镍金的金镀层表面结构形貌的sem照片化学镍金的镍镀层外观（x2000）电镀镍金的镍镀层外观（x2000）图2去金后化学镍金与电镀镍金的镍镀层的外观结构比较3.2可焊性的差异在不少的文献报道中

8、，都认为电镀镍金结晶细腻而硬度大，可焊性往往不如化学镍金的好 w，许多现场使用的情况也正好反映了这一习惯印象。而真正的情况如何呢？为此，木文按 照ipc/j-std-003b印制板可焊性的技术要求标准规定的方法，用sat-5100的可焊性测试 仪测试评估了来自同一供应商提供的化学镍金与电镀镍金焊盘的样品的可焊性。其体检测条 件：1）焊料组成 sn96.5ag3.0cu0.5；2焊料温度255°c;3焊接时问5s;4）浸渍速度10mm/s；5浸渍深度0.2mm;6助焊剂类型flux2 （松香:25%；异丙醇:74.61%；二乙胺盐酸盐:0.39%）。代表性的检测结果见图3阁4。由图可见

9、两种样品的润湿时间（零交时间）某本一致，没有明显差别，测试多个样木，零交吋间的分介以及范围均十分接近。似是在润湿焊接后无图3个典型的化学镍金焊盘可焊性试验的润湿力-时间曲线图（to： 0.48sec, f2： 2.07mn, f5： 2.17mn）图4 一个典型的电镀金板焊盘可焊性试验的润湿力-时间曲线图（to： 0.44sec, f2： 0.98mn, f5: 1.09mn）规律性非常明显。这说明在润湿发生的速度上二者没杏明显区别，也就是说焊盘的镀层表而 状况非常相近，镀层表側结构的差异并没冇对涧湿速度冇影响，但是随着焊接的继续，润湿 的层次与深度，或吝说合金化的难易程度是明兄不hd的，可能

10、是由r化学镍金的结晶颗粒籾 大且不定形而溶解扩散的速度要快于电镀镍金。这或许就是在许多工艺场合人们更多的选川 化学镍金处理的pcb的原因之一吧。为了分析造成这种润湿性差异的原因（已排除污染问题），本文还使用显微维氏硬度计， 分别在0.025n与0.05n的条件下测试了两种处理方式的金镀层与镍镀层的硬度（见表1）。 由于金层较薄,测试可能有一些误差，似根据数据的整体来分析，我们发现无论金层或镍层， 电镀镍金都比化学镍金的高，金镀层要高出约7%，镍镀层则要高出24%左右。山于化学镍 金中的镍镀层的硬度还与其中的磷含量有欠，磷含量的增加讨能还会使镍镀层的硬度有所增 加。但总体而言，镀层的硬度是影响润

11、湿性的一个熏要因素，随硬度的增加，润湿性将逐渐 宥所下降。表1镀层硬度測试结果样品描述镀层与測试条件测试数据hv均值1#电镳臬金金层（au湖试大i: o.o25n515519563552556561563596614566：564570574锝层（虹）測试力:0.05n4114184294284144374232#化報金(enig)金层（au:ijs试力：o.o25h501504534530545523528501525514523563577镍居（ni）測试力:0.05n3223353513683273353403.3可靠性风险及其预防由于沉积工艺的不同，镍金镀层的质fi与可靠性风险将会冇明

12、显差异。化学镍金由于艽 结构屮结晶粗人且不定形，造成焊接时溶解扩散速度快，使得润湿力稍人于电镀镍金。但是 如果工艺控制不当，镍层山于得不到金的保护而非常容易发牛.腐蚀现象，即所谓的黑镍；如 果镍镀层中磷含量不当则常常造成润湿不以以及易在焊点中形成富磷层，导致焊点的讨靠性 下降问题。这些闷题在本刊的前面几期作者有专门的文章讨论，在此不再繁述。至于电镀镍 念，由于镀层的结晶细腻，焊接时溶解扩散的速度相对较慢，耑要在焊接时调整工艺，w接 的时间或温度需要适当的延长或提高。问时要特别关注电镀时镀液的纯度以及工艺条件的控 制，从而确保镀层屮镍金的纯度，否则极易导致可焊性不良的问题。由于电镀镍金的结构特 点，一般不界易发生黑镍以及富磷层的等现象。结论作为焊盘的町焊性表而处理，化学镍金与电镀镍金均得到了广泛的使用，特别是无铅化 以及电子产品的小型化以p。由于化学镍金与电镀镍金的生成工艺的差别，导致了二者在表 面形貌、结构、可焊性方面以