ENIG焊盘润湿不良失效分析

李进，张浩敏，袁保玉

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东广州510610；2.宁波赛宝信息产业技术研究院有限公司，浙江宁波315040）

ENIG焊盘润湿不良失效分析

李进1，2，张浩敏1，2，袁保玉1，2

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东广州510610；2.宁波赛宝信息产业技术研究院有限公司，浙江宁波315040）

针对化学镍金（ENIG）焊盘的上锡不良问题，选取了一个典型的案例进行分析。详细地介绍了分析的过程和手段，通过采用外观检查、金相切片、SEM&EDS等分析手段，发现了导致上锡不良的主要原因为黑焊盘造成的润湿不良。同时，总结和分析了导致此缺陷的原因和应采取的对策。

化学镍金；润湿不良；黑焊盘；失效分析

0 引言

化学镍金（ENIG:Electroless Nickel Immersion Gold）镀层集可焊接、接触导通、打线和散热等功能于一身，因而被广泛地用于电子和通信领域，但是，ENIG也存在一些缺点，例如:ENIG流程长、复杂、成本高、管理难，而且无法重工，容易在焊接中或焊后使用中发生黑垫，对焊接强度非常不利。化学镍金是一种置换反应，由于金的负电性极强且金的活动次序的位置也极高，当镍皮膜浸入到含Au的镀液中时，金离子会立即抢镍金属的电子，使自己还原成金皮膜而使底镍溶解成镍离子。一个较小镍原子的溶解可以获得两个较大金原子不规则的沉积，形成疏松多孔的晶粒结构，即使镍表面已经盖满了金层，也可以继续镀上金，只是速度越来越慢。该置换反应的化学方程式如下所示:

1 案例分析

1.1 背景

案例分析的对象是某汽车仪表盘的电路板，焊接后发现有焊盘润湿不良的现象。

1.2 外观检查

外观检查发现润湿不良的焊盘表面发黑，有少许焊锡存在，无明显的异物。润湿不良的焊盘外观及切片方向如图1所示。

图1 润湿不良的焊盘外观及切片方向

1.3 表面电镜能谱分析

润湿不良处的能谱分析表明该区域的主要元素是碳（C）、氧（O）、硅（Si）、磷（P）、镍（Ni）、铜（Cu）和锡（Sn）。润湿不良的焊盘能谱分析位置如图2所示，分析结果如表1所示。

图2 润湿不良的焊盘能谱分析位置

表1 能谱分析结果

1.4 金镍厚度测量

任意地选取失效PCB板5个未焊接焊盘并测量其金镍厚度，结果表明其厚度正常，如表2所示。金的主要作用是保护镍以防止其被氧化，在接触高温的一瞬间，金迅速与锡形成界面合金化合物而溶于锡中，实际上焊点的强度是由镍和锡生成的界面合金化合物Ni3Sn4来表现的。过厚的金层不但对强度无益反而有害，还有“金脆”的风险。沉金时间过长、速度过快会导致金层变厚，同时会加剧金水对镍层的攻击，有黑垫的风险；小型焊盘更为严重。

表2 金镍厚度测试数据单位：u"

1.5 镍面晶格观察

任意地选择失效PCB板一个未上锡的焊盘，剥金后用扫描电镜观察发现镍面平坦致密，晶格起伏不大，但沟瘤处有腐蚀存在，如图3所示。

图3 镍面晶格观察图片

1.6 镍层腐蚀观察

任意地选择失效PCB板两个未上锡的焊盘切片后用扫描电镜观察分析，可清楚地看到其中一个焊盘的镍层被腐蚀出一个空洞，腐蚀深度达到整个镍层的32.8%，宽度为1.22 μm，此为金水过度咬镍的结果；另外一个焊盘未见腐蚀，如图4所示。

图4 镍层腐蚀观察图片

1.7 金相切片分析

切片后进行金相分析（切片方向如图1所示），结果显示，润湿不良焊盘表面缩锡，缩锡处的镍层表面发现较厚的富磷层，同时遍布严重的腐蚀带（如图5d所示）；鸥翼下方有锡处部分焊料与焊盘间开裂，镍层表面亦发现严重的腐蚀带和较厚的富磷层，无明显的界面合金化合物生成（如图5c所示）；其他部分虽有界面合金化合物生成，但镍面表层亦有大量的不连续腐蚀存在，富磷层相对于开裂处较薄（如图5b所示）。焊接正常的焊盘表面润湿良好，镍面与焊锡生成良好的界面合金化合物，富磷层亦很薄，镍层表面有极少的针状腐蚀存在（如图6所示），对可靠性影响不大。

图5 润湿不良的焊盘切片图片

图6 润湿正常的焊盘切片图片

1.8 润湿不良焊盘镍层间磷含量分析

化学镀镍层的品质取决于磷含量的大小，P含量较高时，抗腐蚀性好，为了同时兼顾焊锡性，一般将P的含量控制在7%～10%之间为宜。润湿不良的焊盘镍层间磷含量分析的位置示意图如图7所示，测试结果如表3所示。从表3中可以看出，镍层间P的含量为8.03%，在正常范围内。

图7 分析位置示意图

表3 磷含量测试数据

2 结果与讨论

润湿不良的焊盘表面元素分析未发现异常。未焊接焊盘的镍层表面平坦致密，沟瘤处有腐蚀存在，但在截面切片中发现一个空焊盘的镍层有较大的腐蚀空洞，此为金水过度咬镍的结果；此失效板的金镍厚度正常，未发现金层过厚、镍层过薄的情况；润湿不良的焊盘镍层表面发现严重的腐蚀带，镍层间P的含量为8.03%，在正常范围内。有资料指出，引起镍腐蚀的可能因素有:1）焊盘的形状；2）镍层的磷含量；3）铜面粗糙度；4）镍面晶格；5）污染（如阻焊膜的影响等）；6）沉金速率和时间；7）沉金厚度；8）槽液老化。ENIG在高温焊接时，金层极其快速地融于锡中，镍和锡形成界面合金而被焊牢，但一旦镍面大面积被腐蚀时，其可焊性和焊点强度就将会显著地降低。

3 结束语

从上述分析可知，镍层表面严重的腐蚀带（即黑焊盘）是造成此次润湿不良的主要原因。为了降低镍腐蚀发生的概率，建议做好以下几项工作，以提高ENIG焊盘的焊接可靠性。

a）加强对磷含量、金镍厚度、镍面晶格、沉金速率、沉金时间和焊盘焊锡性的监控。

b）减少金镍缸的杂质沉金现象。

c）控制金镍缸镀液的PH值、温度和浓度在适宜的范围内。

d）改善生产和储存环境，ENIG后的电路板长期暴露在潮湿或恶劣的环境中，由于金层的疏孔性，镍面会发生贾凡尼式腐蚀；严重时，焊接后会发生潜在的黑焊盘，因为助焊剂或酸性物质会通过金层孔隙渗入镍层。

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Failure Analysis of Dewetting of ENIG Pad

LI Jin1，2，ZHANG Haomin1，2，YUAN Baoyu1，2
（1.CEPREI，Guangzhou 510610，China；2.Ningbo CEPREI IT Research Institute Co.，Ltd.，Ningbo 315040，China）

In order to solve the dewetting problem of ENIG pad，a typical case is analyzed.The analysis process and methods areintroduced in detail.Bymeans ofvisual inspection，metallographic section，SEM，EDS and other analysis means，it is found that the dewetting problem is caused by the black pad.At the same time，the causes leading to the defect and the countermeasures are summarized and analyzed.

ENIG；dewetting；black pad；failure analysis

TG 441.7；TQ 153.2；TG 115.21+5

A

：1672-5468（2017）02-0030-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.02.007

2016-09-20

李进（1985-），男，江苏泰兴人，宁波赛宝信息产业技术研究院有限公司助理工程师，从事电子产品的分析与检测工作。