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ENIG表面处理PCB焊垫的两大潜在问题(黑镍与富磷层)及预防措施

2020-07-29

随着智慧型手机的普及,电子产品的小型化趋势以及欧盟对无铅制程的要求,同时也由于化镍浸金(ENIG)表面处理工艺相较于其他表面处理工艺来得简单与较低廉的成本,另外还有其优良的可重复焊接性、良好的平整度适合细脚零件、可长期储存不易氧化等优点,所以有越来越多的电子产品选择以ENIG作为其PCB的表面处理。

     但是在我们日常的SMT焊接作业中,也经常发现这种ENIG表面处理的板子容易出现镍腐蚀以及富磷层这两大致命问题,这类问题一旦发生,经常会造成大量批次性的焊点可靠性问题。因为这两类问题都非常隐蔽,一般再生产的当下不易被察觉,一旦发现时大多为时已晚,伤害及损失已经造成,也可能无法弥补。

     所以,很多人在使用ENIG(化镍浸金)表面处理的板子打件发现到有零件掉落或是焊性不良时,先想到的问题通常是「黑镍」又称「黑垫」,可是又好像没有几个人真正了解何谓「黑镍」或「黑垫」,所以本文试着用工作熊了解的角度来跟大家探讨一下ENIG的「黑镍」或「黑垫」。

      ENIG的「黑镍」主要成份基本上有二:「富磷」及「氧化镍」。

     「磷」来自化学镍镀层,在后续的「金」与化学镍置换的过程中,因为「磷」不起反应,所以会停留在金层与镍层之间,形成富磷(P-rich)层,在焊接强度上形成脆化的结果。

     「氧化镍」基本上为复杂的NixOy化学式组成(x及y为数字),其根本原因为化镍表面在进行浸金置换反应时,其镍面受到过度的氧化反应(金属镍游离成为镍离子即为广义的「氧化」),再加以体积甚大的「金」原子(金原子半径144pm)不规则的沉积以致形成粗糙且疏松多孔的晶粒排列,也就是说「金」层未能完全覆盖住底「镍」层,让镍层有机会暴露于空气中继续氧化作用,于是在「金」层的下面逐渐地形成镍锈,造成焊接的阻碍。

化学镀镍磷厂家

     因为大部分的焊锡,如SAC305,  SAC3005, SnBi, SnBiAg等成份基本还是以锡(Sn)当基础,当电路板经过回焊炉加热时,Sn会与ENIG的镍(Ni)会形成Ni3Sn4的IMC(共化物),如果镍层氧化了,就会难以生成理想的IMC,就算可以勉强生成,其IMC也是断断续续不均匀,这样就会造成焊接强度降低,就像一片涂抹了水泥的砖墙,砖墙与砖墙间的水泥就犹如IMC,如果有些地方没有涂到水泥,墙面的强度就会变得脆弱是一样的道理。

     其实电路板的表面处理还有「化镍浸钯金((ENEPIG)」,而且这种表面处理可以有效抑制「黑镍/黑垫」生成的问题,但是因为其费用比较昂贵,所以目前还只有高阶板、CSP或是BGA业者采用。

      ENIG焊盘的两大潜在问题及其预防

     ENIG的基本工艺

     ENIG表面处理电路板较大的优势之一就是电路板生产制造工艺简单,原则上只需使用两种化学药水(化学镀镍与酸性金水)就可以完成,当然还需要其他的药水辅助。ENIG表面处理工艺一般是先在铜焊盘制作化学镍沉积,通过控制时间及温度来控制镍层的厚度;再利用刚沉积完成的新鲜镍活性,将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。置换上来的「金」会逐渐将镍层覆盖,直到镍层全部覆盖后该置换反应将自动停止,清洗焊盘表面的污物后工艺即可完成。这时的镀金层往往大约只有0.05um(2u")的厚度或更薄,所以说ENIG的工艺非常容易控制且成本相对较低(与电镀镍金相比) 。

 显然表面这层薄薄的金层只能起到对镍层的氧化保护作用,一旦金层不足以保护镍层,导致镍与空气接触腐蚀氧化或被金水过渡浸蚀,即会形成所谓的「黑镍」或「黑垫」现象,     而此时焊盘的表面用肉眼看来还是金光闪闪的金子,一般用目视是很难判断是否有问题。因此,组装工艺前加强对ENIG表面处理的PCB的品质检查是非常必要的。


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