镍氧化对镀金板可焊性影响的深入探讨

张杰威 陈黎阳 刘 攀（广州兴森快捷电路科技有限公司，广东 广州 510663）

镍氧化对镀金板可焊性影响的深入探讨

张杰威 陈黎阳 刘 攀
（广州兴森快捷电路科技有限公司，广东 广州 510663）

镀金板的可焊性问题，也是业界经常面临的难题。业内普遍认为是镍层有机污染严重、阻焊残留导致，而系统深入地研究很少。本文由生产实际出发并结合相关试验测试，从镍氧化的角度，对镀金板可焊性不良的机理进行了深入分析，找到关键影响因素，为改善提供切实有效的理论依据。

镀金板；可焊性不良；镍氧化

1 前言

随着电子元器件的日益精密化及表面安装技术的不断发展，印制板镀覆层表面平整度要求更加严格，如OSP、沉锡、沉银、沉金等工艺，都较好的解决了以往喷锡涂覆层表面平整度不良所带来的贴装困难问题。全板镀金做为诸多表面处理的一种选择，其自身的特点而为一些客户所推崇。

全板镀金，也称“水金”或“电镀闪金”，是在镍层表面镀上一层非常薄的金层以保护镍层，具有良好平整性、较小接触电阻、适宜打金线，工艺流程短、生产控制简易等优点，特别在应对选择性硬金工艺时，是目前行业内比较成熟的大规模应用生产的一种工艺。但是，由于水金工艺金层很薄，且以金层为抗蚀层，此工艺的可焊性问题，也是业界经常面临的难题，如图1所示。

图1

因此笔者从镍氧化的角度，对镀金板可焊性不良问题进行深入探讨。

2 镍氧化的危害

镀金板焊接贴装是锡膏与镍层结合形成锡镍合金层，镍本身具有良好的可焊性能，但镍在氧化后，是否具有可焊性，氧化镍对润湿性及可靠性的影响程度如何，需进行对比试验考察。

2.1 氧化镍润湿性能的影响

（1）试验样品（表1）：制作两块只镀镍、不镀金的润湿平衡标准测试模块样品，考察润湿力差异。

表1

（2）采用润湿平衡测试，结果如图2。

图2

（3）小结：根据实验结果，氧化镍不具有润湿性，对产品可焊性影响显著。

2.2 氧化镍焊接强度的影响

（1）实验样品（表2）。

表2

（2）剪切力测试：焊点印锡膏后进行剪切力测试，来考察其焊点的焊接强度差异。采用剪切力测试仪，各取10个焊点测试焊点强度，数据整理如图3。从结果看，1#纯镍样品焊点强度明显大于氧化镍样品。

图3

（3）小结：根据实验结果，氧化镍对产品的焊点强度影响显著。

3 镍氧化的机理分析

镀金板是在镍层表面镀上一层非常薄的金层以保护镍层，那么镍是怎么被氧化的呢？对其镍层氧化机理进行浅析。

3.1 镍氧化示意图（图4）

3.2 XPS测试验证

采用XPS测试，对样品不同金层深度的镍含量进行量化，以验证高温老化是否导致镍层向金表面扩散，结果如图5所示。

图5

图4

小结：通过对比，无高温老化的金层无镍含量，经过高温老化后，镍层在不断地向金表面扩散。

3.3 镍氧化的形成条件

通过以上机理分析及测试验证，认为镀金板形成氧化镍的条件主要由三个因素决定：镍、镍向金层的扩散通道、镍向金层扩散的驱动力。

（1）镍的来源——底镍或金层中夹杂的镍离子，金层中的镍离子更易于扩散；

（2）扩散通道——金层孔隙；

（3）扩散动力——高温驱动。

镍氧化的产生是这三个因素共同作用的结果，在实际生产中，这三个因素都不能完全避免，因此，下面通过改变其中一个条件分别对这三个因素一一进行验证，考察其对镍氧化及可焊性的影响程度，以指导生产对关键因素进行控制。

4 镀金板镍氧化的关键影响因素探讨

4.1 金层孔隙率的影响

（1）实验方案：制作不同金层孔隙率的样品，在同样高温老化条件下进行润湿性对比测试；

（2）实验样品：采用不同镀金电流密度制作样品，并通过盐雾测试24 h考察两者孔隙差异（图6）。从盐雾测试结果看，低电流密度样品孔隙率较小。

图6

（3）实验结果：采用同样高温老化后，进行润湿性测试，如图7。

图7

小结：从测试结果看，孔隙率对镀金板镍氧化和可焊性有显著影响。

4.2 金层镍含量的影响

（1）实验方案：制作不同金层镍含量样品，在同样高温老化条件下进行润湿性对比测试；

（2）实验样品：采用烧杯实验，通过改变金缸药水中镍离子含量来制作得到夹杂不同镍含量的金镀层，并通过XPS元素分析以验证。结果看，金缸镍离子含量越高，镀金板金层中镍含量也越高。

表3

XPS元素分析。

（2）实验结果：采用同样高温老化后，进行润湿性测试，如图8。

图8

小结：

（1）随着镍含量的上升，焊盘的抗老化性逐渐下降，当经过回流老化后，润湿力随着镍含量的下降而上升，当镍含量为0时，两次回流后润湿性能保持良好。

（2）金层镍离子含量同样对镀金板可焊性影响显著。

4.3 高温时效的影响

采用常规生产参数制作镀金板，通过不同的高温时效后测试样品润湿性。小结：温度越高，时间越长，镀金板可焊性越差，因此高温时效对镀金板可焊性有显著影响。

5 总结

（1）根据实验验证，镍氧化是对镀金板润湿性及焊接可靠性影响显著；

（2）金层孔隙率对镀金可焊性影响显著，孔隙率越大，镍越易氧化，可焊性也就越差。实际生产中，可通过提高金层厚度、降低镀金电流密度来降低镀层孔隙率；

（3）金层中镍含量同样对镀金可焊性影响显著，而金缸药水中镍离子含量是影响金层中镍含量的关键因素。实际生产中，可通过加强镀镍后的水洗效果来改善，并且对镍离子含量进行有效监控；

（4）高温时效是加速镍氧化的基本条件，从化学反应动力学的角度来讲，温度越高，氧化速率加快，化学反应越剧烈。在实际生产中，应尽可能减少镀金板生产过程中的热时效。

[1]徐军等. 电镀镍金流程对焊接性能影响因素分析.万方数据.

[2]辛军让. 镀金板可焊性不良成因分析及改善措施[J]. 印制电路信息. 2005,5.

[3]王豫明. 电镀闪金表面处理可焊性探讨[J]. 万方数据.

[4]胡光辉.电镀镍金焊接强度不足的原因及对策[J].印制电路信息, 2005.

[5]张宣东. PCB镀金层孔隙率检验方法研究[J]. 印制电路信息, 2009.

张杰威，技术中心产品研发工程师。

The further discussion on the impact of nickel oxide on the solderability of plating gold

ZHANG Jie-wei CHEN Li-yang LIU Pan

The solderability problems of the plating gold plate were in existence at all times. Now the theory that the serious organic pollution of nickel and the remnant solder mask resulted in the poor solderability had been accepted universally in PCB industry, but in-depth analysis and research about the theory was less. The factor of effect and the mechanism on solderability problems was discussed in this paper by means of some experiments connected to manufacture from the angle of nickel oxidation, and it hoped to be the technology support to improve the discoloration problem.

Plating Gold Plate; Bad Solderability; Nickel Oxidation

TN41

A

1009-0096（2014）08-0051-04