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化学镍金与电镀镍金表面处理焊盘的比较研究

2020-11-23伊恩表面处理
   由于化学镍金(ENIG)表面处理以及电镀镍金表面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面处理的PCB。同时由于使用镍金镀层的焊盘可以邦定的同时还可以耐高温的老化,甚至在无铅工艺条件下可以经过2~3次的焊接后,未焊接的焊盘仍然可以保持很好的可焊性。而价格相对低廉的有机助焊保护膜(OSP)和热风整平处理(HASL)的合金可焊性涂层由于其不耐高温老化或是平整度不能满足日益增长的细间距安装的要求。因此,随着电子产品的小型化与无铅化以及人们对高可靠性的要求,镍金表面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面处理,哪个更合适呢?本文将探讨化学镍金与电镀镍金的差异以及各自存在的可靠性风险,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,只需使用两种关键的化学药水,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,关键的步骤是在铜焊盘上自催化化学镀镍,通过控制时间和温度以及pH值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换到焊盘表面,而部分表面的镍则溶入金水中,这样只要置换上来的金将镍层完全覆盖,则该置换反应自动停止,清洗焊盘表面的污物后工艺即可完成。这就是说化学镍金的工艺相对容易控制,这时的镀金层往往只有约0.03~0.1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3~5微米的镍镀层,然后再在镍上镀上一层约0.01~0.05微米的薄金,在电镀液一定的情况下,通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要电源。对于涂了阻焊膜的裸铜板通常不容易使每个需要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而言,真正需要关注的是镍镀层,因为真正需要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氧化或腐蚀,金层在焊接一开始就溶解到焊料之中去了。因此,组装工艺前加强对各镀层表面处理的质量检查或控制是非常必要的。由于工艺的差异,导致了两种镀层质量的差异、特别是在结构、硬度、可焊性等方面存在明显的不同。
  2、试验研究
  本文选择了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型号的扫描电镜和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;同时使用SAT-5100的可焊性测试仪依照IPC/J-STD-003B标准测试这两种类型的PCB焊盘的可焊性;再用型号为430SVA的显微维氏硬度计来分析比较化学镍金与电镀镍金的镀层的硬度差异;下一步将扩大研究样品的范围,并使用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
  用电镜在不同倍率下分别观察化学镍金与电镀镍金镀层的表面结构差异。由于在焊接时真正形成合金层的是金下面的镍层,因此用温和的氰化物蚀金水去除金层(不腐蚀镍层)后,再用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镀层表面的电镜照片,可见化学镍金与电镀镍金有显著的不同,前者有明显的不定形的结晶颗粒结构,后者则结晶细腻平滑。去金后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有关,化学镍金是通过自催化反应的方式沉积上去的镍底层,置换反应沉积底金层,化学反应产生的沉积层一般结晶颗粒大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。
  ×500化学镍金,金镀层结构
  ×500电镀镍金,金镀层结构
  ×5000化学镍金,金镀层结构
  ×5000电镀镍金,金镀层结构
  图1不同倍率下化学镍金与电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(×2000)
  电镀镍金的镍镀层外观(×2000)
  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,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焊,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,本文按照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。具体检测条件:
  1)焊料组成Sn96.5Ag3.0Cu0.5;;
  2)焊料温度255℃;
  3)焊接时间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~图4。由图可见两种样品的润湿时间(零交时间)基本一致,没有明显差别,测试多个样本,零交时间的分布以及范围均十分接近。但是在润湿焊接后无论是2秒或是5秒的润湿力均有较大差别,化学镍金的润湿力明显要大于电镀镍金的。
  图3一个典型的化学镍金焊盘可焊性试验的润湿力-时间曲线图
  (T0:0.48sec,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)
  (T0:0.44sec,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有明显区别,也就是说焊盘的镀层表面状况非常相近,镀层表面结构的差异并没有对润湿速度有影响,但是随着焊接的继续,润湿的层次与深度,或者说合金化的难易程度是明显不同的,可能是由于化学镍金的结晶颗粒粗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用化学镍金处理的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,但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。由于化学镍金中的镍镀层的硬度还与其中的磷含量有关,磷含量的增加可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湿性的一个重要因素,随硬度的增加,润湿性将逐渐有所下降。
  表1镀层硬度测试结果
  3.3可靠性风险及其预防
  由于沉积工艺的不同,镍金镀层的质量与可靠性风险将会有明显差异。化学镍金由于其结构中结晶粗大且不定形,造成焊接时溶解扩散速度快,使得润湿力稍大于电镀镍金。但是如果工艺控制不当,镍层由于得不到金的保护而非常容易发生腐蚀现象,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良以及易在焊点中形成富磷层,导致焊点的可靠性下降问题。这些问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。至于电镀镍金,由于镀层的结晶细腻,焊接时溶解扩散的速度相对较慢,需要在焊接时调整工艺,焊接的时间或温度需要适当的延长或提高。同时要特别关注电镀时镀液的纯度以及工艺条件的控制,从而确保镀层中镍金的纯度,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,一般不容易发生黑镍以及富磷层的等现象。
  结论:
  作为焊盘的可焊性表面处理,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后。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、可焊性方面以及可靠性风险和成本方面的不同,前者结晶粗大不定形,焊接时的润湿力明显强于后者。但也常常容易出现镍腐蚀以及富磷层等导致焊点可靠性下降的风险。电镀镍金由于具有结晶细腻的表面结构形貌,且镍的组成单一,通常不会出现黑镍与富
  磷层的问题,但必须控制保证镀层的纯度以达到所需的可焊性,电镀镍金的焊接时间以及温度与化学镍金相比可能要适度提高。关于化学镍金与电镀镍金的更多比较研究仍然在继续进行中。
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