化镍浸金焊接黑垫之探究与改善下篇.docx

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化镍浸金焊接黑垫之探究与改善下篇

化鎳浸金焊接黑墊之探究與改善（下篇）

TPCA技術顧問白荣生

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（2-4m）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BlackPad：

ENIGwithThickGoldandIMCFormationDuringSolderingandRework（IPC2001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（SporadicDepect）。

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（75in-224in），金厚的落差也不少（2.2in-7.5in）。

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（NoduleStructure），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1.33m/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0.002m/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（2-4in）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

671.5

626.0

標準差

98.5

108.9

最低值

317.8

313.0

最高值

808.1

952.6

3.4另篇StudyofMechanismResponsiblefor“BlackPad”DefectsinPCBUsingENIGasaFinalFinish

　　本文為Atotech之美國分公司（即原先之Chemicut著名蝕刻機業者）KuldipJohal發表於IPC2001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（GalvanicEffect），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（ComplexingAgent），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5in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（MudCrack）。

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160in，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200mm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2-5in。

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（ComplexingAgent）對黑墊所產生的影響

　　從多方面的資料看來，浸金層太厚時（5in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：

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