黑焊盤(pán)現(xiàn)象

定義與特征

定 義 ：化 學(xué) 鎳 金（ENIG Ni/Au）用作 PCB 或 BGA 基材表面涂層后，由于 Ni 被深度腐蝕或被氧化，在焊接中出現(xiàn)不潤(rùn)濕或半潤(rùn)濕現(xiàn)象或者焊接后易引起焊點(diǎn)斷裂，焊接面除金后呈現(xiàn)灰黑色“鎳面龜裂”形貌或者斷裂的鎳面呈灰黑色“泥漿”樣貌，簡(jiǎn)稱(chēng)“黑盤(pán)現(xiàn)象”。化學(xué)鎳金（ENIG Ni/Au）鍍層結(jié)構(gòu)如圖 1-1 所示、典型的黑盤(pán)現(xiàn)象如圖 1-2 所示。

圖 1-1 典型的 ENIG 鍍層結(jié)構(gòu)

圖 1-2 黑焊盤(pán)典型特征

特征 ：黑焊盤(pán)現(xiàn)象是化學(xué)鎳金（ENIG Ni/Au）表面處理方式特有的失效模式。由于 Au 層的多針孔性，擋不住氧化 Ni 的上、下生長(zhǎng)而形成大片氧化物，嚴(yán)重時(shí)形成有腐蝕斑點(diǎn)穿過(guò)浸金表面底部的富P層延伸到Ni 層的大面積黑色焊盤(pán)。當(dāng)黑盤(pán)生成后，ENIG 的表面的金鍍層并沒(méi)有明顯的變色，容易給人造成焊盤(pán)的表面處理仍然良好的假象。當(dāng)出現(xiàn)黑色焊盤(pán)進(jìn)行焊接時(shí)，作為可焊性保護(hù)層的Au 迅速溶解到焊料中去 , 而被腐蝕氧化了的 Ni 則不能與熔融焊料形成合金化，導(dǎo)致焊點(diǎn)可靠性嚴(yán)重下降，稍受外力即發(fā)生開(kāi)裂。

形成機(jī)理： 

（1）在 ENIG Ni/Au工藝工程中，金液侵蝕鎳層，留下粗糙的富 P 層與釬料形成弱連接，在相當(dāng)小的外力作用下導(dǎo)致焊點(diǎn)斷裂或失效。如圖 1-3 所示黑焊盤(pán)切片，沒(méi)有 IMC 形成 ；如圖 1-4所示黑焊盤(pán)造成的典型焊點(diǎn)開(kāi)裂。

圖 1-3 黑焊盤(pán)切片典型特征，無(wú) IMC 形成

圖 1-4 黑焊盤(pán)造成的典型焊點(diǎn)開(kāi)裂

（2）當(dāng)涂層過(guò)薄 Au 或者工藝過(guò)程參數(shù)控制不當(dāng)時(shí)，就可能造成覆蓋在Ni 上的 Au 質(zhì)量低劣或厚度不足，存在大量的針孔，空氣中的氧（O）穿過(guò)這些針孔直接向底層的 Ni 侵蝕，導(dǎo)致黑焊盤(pán)形成。

解決措施

預(yù)防黑焊盤(pán)的形成，主要控制PCB 制造商表面鍍層處理、PCBA 組裝用戶(hù)端檢測(cè)及鑒定措施。

1）制造階段主要是要做好電鍍金液的維護(hù)以及工藝溫度的控制，使鍍層中的鎳磷比例處于最佳狀態(tài)，一般鎳的比例控制在 9%~11%。酸性的金水也需要很好維護(hù)，其腐蝕性過(guò)強(qiáng)時(shí)應(yīng)該及時(shí)調(diào)整 ；

2）對(duì)于PCBA 組裝用戶(hù)應(yīng)該采取如下方法 ： 

① 首先，最好使用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)焊盤(pán)的表面處理進(jìn)行表面觀察，主要檢查鍍金層是否存在裂紋，并用 EDS 分析鎳鍍層中磷的比例是否在正常范圍內(nèi) ；

② 其次，選擇典型的焊盤(pán)來(lái)手工焊接并測(cè)量其焊點(diǎn)的拉脫強(qiáng)度，異常小的拉脫強(qiáng)度證實(shí)可能存在黑焊盤(pán) ；

③ 最后，對(duì) ENIG 樣品進(jìn)行酸性氣體腐蝕試驗(yàn)，如果發(fā)現(xiàn)其表面長(zhǎng)出粉末或變色，說(shuō)明焊盤(pán)上的金鍍層有龜裂，也就說(shuō)明有黑盤(pán)存在的可能。

偏析效應(yīng)

定義與特征

定義 ：金屬合金中各部分化學(xué)成分的不均勻，稱(chēng)為偏析。

特征 ：在電子組裝焊接中，偏析是一種冶金過(guò)程發(fā)生的缺陷，由于焊點(diǎn)各部分的化學(xué)成分不一致，使其機(jī)械及物理性能減弱，影響焊點(diǎn)的工作性能和使用壽命。因此，在生產(chǎn)中必須防止合金在凝固過(guò)程中發(fā)生偏析。

形成機(jī)理

1） 焊接過(guò)程中 Pb 偏析形成機(jī)理在 SnPb 合金釬料選擇性擴(kuò)散中，其中只有 Sn 元素?cái)U(kuò)散，Pb 根本就不擴(kuò)散，這種擴(kuò)散叫做選擇擴(kuò)散。只有Sn 向母材（如 Cu）中擴(kuò)散，而 Pb不擴(kuò)散，殘留在界面上而形成 Pb 偏析，如圖 2-1 所示選擇性擴(kuò)散結(jié)合界面出現(xiàn) Pb 偏析現(xiàn)象。

圖 2-1 選擇性擴(kuò)散結(jié)合界面出現(xiàn) Pb 偏析現(xiàn)象

出現(xiàn)選擇性擴(kuò)散時(shí)，當(dāng)靠近Cu的Sn擴(kuò)散到Cu內(nèi)后，距 Cu 較遠(yuǎn)的 Sn 原子則由于 Pb 原子的阻擋減慢了擴(kuò)散速度。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后在靠 IMC 的附近就會(huì)形成富 Pb層而形成 Pb 偏析，成為應(yīng)力脆相區(qū)。如圖 2-2 所示在 Cu6Sn5IMC 附近出現(xiàn) Pb 偏析。

圖 2-2 Sn 選擇性擴(kuò)散之后在 IMC 附近形成富 Pb 偏析

偏析對(duì)焊點(diǎn)可靠性的影響

1） 偏析少的微細(xì)金屬相均勻分布的釬料結(jié)晶組織是最佳狀態(tài)，由于偏析等原因形成的低熔點(diǎn)脆性相，在低應(yīng)力下也會(huì)成為破壞的起點(diǎn) ；

2） 在高溫老化中，由于原子擴(kuò)散速率加快， 對(duì)于有鉛焊接制程形成焊點(diǎn)，Sn 進(jìn)入金屬間化合物層，老化產(chǎn)生了一個(gè)緊挨著界面的 IMC 的連續(xù)的富 Pb 相區(qū)域，它提供了疲勞裂紋易于擴(kuò)展的途徑 ；

3） 在熱循環(huán)試驗(yàn)中，因?yàn)樵谠倭骱高^(guò)程中浸 Au 層會(huì)溶解于焊料中。界面上含 Au 量高形成的 AuSn4 層導(dǎo)致形成的 Pb 偏析，往往與富 Pb 區(qū)域相鄰，建立在相鄰于該層的局部富Pb 區(qū)的界面是不牢固的。缺陷有可能快速蔓延，沿著 AuSn4 金屬化合物產(chǎn)生斷裂。如圖 2-3 所示 Au 含量高形成的 AuSn4 層導(dǎo)致形成的 Pb 偏析引起焊點(diǎn)斷裂。

圖 2-3 含 Au 量高形成的 AuSn4 層與富 Pb 區(qū)域相鄰

4） 黑焊盤(pán)斷裂之處也是由于富 P層引起的偏析，成為應(yīng)力的脆弱點(diǎn)。

解決措施 ：

抑制焊點(diǎn)出現(xiàn)偏析的措施主要是：

1） 鉛焊接時(shí)一定要預(yù)防 Pb 污染；

2） 控制好焊接溫度，避免溫度過(guò)熱；

3） 控制好加熱時(shí)間，避免時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

【本文轉(zhuǎn)自《一步步新技術(shù)》雜志，作者單位是上海正泰智能科技有限公司。】