黑焊盤現(xiàn)象

定義與特徵

定 義 ：化 學(xué) 鎳 金（ENIG Ni/Au）用作 PCB 或 BGA 基材錶麵塗層後，由於 Ni 被深度腐蝕或被氧化，在焊接中齣現(xiàn)不潤濕或半潤濕現(xiàn)象或者焊接後易引起焊點(diǎn)斷裂，焊接麵除金後呈現(xiàn)灰黑色“鎳麵龜裂”形貌或者斷裂的鎳麵呈灰黑色“泥漿”樣貌，簡稱“黑盤現(xiàn)象”?；瘜W(xué)鎳金（ENIG Ni/Au）鍍層結(jié)構(gòu)如圖 1-1 所示、典型的黑盤現(xiàn)象如圖 1-2 所示。

圖 1-1 典型的 ENIG 鍍層結(jié)構(gòu)

圖 1-2 黑焊盤典型特徵

特徵 ：黑焊盤現(xiàn)象是化學(xué)鎳金（ENIG Ni/Au）錶麵處理方式特有的失效模式。由於 Au 層的多針孔性，擋不住氧化 Ni 的上、下生長而形成大片氧化物，嚴(yán)重時(shí)形成有腐蝕斑點(diǎn)穿過浸金錶麵底部的富P層延伸到Ni 層的大麵積黑色焊盤。當(dāng)黑盤生成後，ENIG 的錶麵的金鍍層併沒有明顯的變色，容易給人造成焊盤的錶麵處理仍然良好的假象。當(dāng)齣現(xiàn)黑色焊盤進(jìn)行焊接時(shí)，作爲(wèi)可焊性保護(hù)層的Au 迅速溶解到焊料中去 , 而被腐蝕氧化瞭的 Ni 則不能與熔融焊料形成閤金化，導(dǎo)緻焊點(diǎn)可靠性嚴(yán)重下降，稍受外力卽髮生開裂。

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 層與釺料形成弱連接，在相當(dāng)小的外力作用下導(dǎo)緻焊點(diǎn)斷裂或失效。如圖 1-3 所示黑焊盤切片，沒有 IMC 形成 ；如圖 1-4所示黑焊盤造成的典型焊點(diǎn)開裂。

圖 1-3 黑焊盤切片典型特徵，無 IMC 形成

圖 1-4 黑焊盤造成的典型焊點(diǎn)開裂

（2）當(dāng)塗層過薄 Au 或者工藝過程蔘數(shù)控製不當(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）穿過這些針孔直接曏底層的 Ni 侵蝕，導(dǎo)緻黑焊盤形成。

解決措施

預(yù)防黑焊盤的形成，主要控製PCB 製造商錶麵鍍層處理、PCBA 組裝用戶端檢測及鑒定措施。

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

2）對於PCBA 組裝用戶應(yīng)該採取如下方法 ： 

① 首先，最好使用掃描電子顯微鏡（SEM）對焊盤的錶麵處理進(jìn)行錶麵觀察，主要檢查鍍金層是否存在裂紋，併用 EDS 分析鎳鍍層中磷的比例是否在正常範(fàn)圍內(nèi) ；

② 其次，選擇典型的焊盤來手工焊接併測量其焊點(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 ；

③ 最後，對 ENIG 樣品進(jìn)行痠性氣體腐蝕試驗(yàn)，如果髮現(xiàn)其錶麵長齣粉末或變色，説明焊盤上的金鍍層有龜裂，也就説明有黑盤存在的可能。

偏析效應(yīng)

定義與特徵

定義 ：金屬閤金中各部分化學(xué)成分的不均勻，稱爲(wèi)偏析。

特徵 ：在電子組裝焊接中，偏析是一種冶金過程髮生的缺陷，由於焊點(diǎn)各部分的化學(xué)成分不一緻，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，在生産中必鬚防止閤金在凝固過程中髮生偏析。

形成機(jī)理

1） 焊接過程中 Pb 偏析形成機(jī)理在 SnPb 閤金釺料選擇性擴(kuò)散中，其中隻有 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。隻有Sn 曏母材（如 Cu）中擴(kuò)散，而 Pb不擴(kuò)散，殘留在界麵上而形成 Pb 偏析，如圖 2-1 所示選擇性擴(kuò)散結(jié)閤界麵齣現(xiàn) Pb 偏析現(xiàn)象。

圖 2-1 選擇性擴(kuò)散結(jié)閤界麵齣現(xiàn) Pb 偏析現(xiàn)象

齣現(xiàn)選擇性擴(kuò)散時(shí)，當(dāng)靠近Cu的Sn擴(kuò)散到Cu內(nèi)後，距 Cu 較遠(yuǎn)的 Sn 原子則由於 Pb 原子的阻擋減慢瞭擴(kuò)散速度。經(jīng)過一定時(shí)間後在靠 IMC 的附近就會形成富 Pb層而形成 Pb 偏析，成爲(wèi)應(yīng)力脆相區(qū)。如圖 2-2 所示在 Cu6Sn5IMC 附近齣現(xiàn) Pb 偏析。

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

偏析對焊點(diǎn)可靠性的影響

1） 偏析少的微細(xì)金屬相均勻分佈的釺料結(jié)晶組織是最佳狀態(tài)，由於偏析等原因形成的低熔點(diǎn)脆性相，在低應(yīng)力下也會成爲(wèi)破壞的起點(diǎn) ；

2） 在高溫老化中，由於原子擴(kuò)散速率加快， 對於有鉛焊接製程形成焊點(diǎn)，Sn 進(jìn)入金屬間化閤物層，老化産生瞭一箇緊挨著界麵的 IMC 的連續(xù)的富 Pb 相區(qū)域，牠提供瞭疲勞裂紋易於擴(kuò)展的途徑 ；

3） 在熱循環(huán)試驗(yàn)中，因爲(wèi)在再流焊過程中浸 Au 層會溶解於焊料中。界麵上含 Au 量高形成的 AuSn4 層導(dǎo)緻形成的 Pb 偏析，往往與富 Pb 區(qū)域相鄰，建立在相鄰於該層的局部富Pb 區(qū)的界麵是不牢固的。缺陷有可能快速蔓延，沿著 AuSn4 金屬化閤物産生斷裂。如圖 2-3 所示 Au 含量高形成的 AuSn4 層導(dǎo)緻形成的 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） 黑焊盤斷裂之處也是由於富 P層引起的偏析，成爲(wèi)應(yīng)力的脆弱點(diǎn)。

解決措施 ：

抑製焊點(diǎn)齣現(xiàn)偏析的措施主要是：

1） 鉛焊接時(shí)一定要預(yù)防 Pb 汙染；

2） 控製好焊接溫度，避免溫度過熱；

3） 控製好加熱時(shí)間，避免時(shí)間過長。

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