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化鎳浸金焊接黑墊之探究與改善
[作者:白蓉生]    2005/8/29 11:58:00    本文被阅读10713次
     一、化鎳浸金流行的原因

  各種精密元件組裝的多層板類,為了焊墊的平坦、焊錫性改善,焊點強度與後續可靠度更有把握起見,業界約在十餘年前即於銅面逐漸採用化鎳浸金(Electroless Nickel and Immersion Gold;EN/IG)之鍍層,作為各種SMT焊墊的可焊表面處理(Solderable Finishing)。此等量產板類有:筆記型電腦之主機板與通訊卡板,行動電話手機板,個人數位助理(PDA)板,數位相機主板與卡板,與攝錄影機等高難度板類,以及電腦週邊用途的各種卡板(Card,是指小型電路板而言)等。據IPC的TMRC調查指出ENIG在1996年只占PCB表面處理的2%,但到了2000年時卻已成長到了14%了。以台灣量產經驗而言,1000l之化鎳大槽中,單位操作量(Loading Factor)已達1.5ft2/gal(360cm2/L),工作忙碌時兩三天就需要換槽。ENIG之所以在此等困難板類大受上下游歡迎的原因,經過深入瞭解後計有下面四點:

圖1.此為Errison著名手機T-28之HDI六層板(1+4+1),線寬3mil雷射盲孔5mil,其基頻區共裝了一顆mini-BGA及4顆CSP,其Via in Pad之墊徑僅12mil左右,是1999被Prismark推崇的明星機種。初上市時售價台幣兩萬六,由於競爭激烈及電磁波太強,2001年已跌價到了999元,災情之慘重豈僅是唏噓慨嘆而已。

1.1 表面平坦好印好焊,小型承墊獨領風騷

  當板面SMT的細長方形、或圓形、或方形之焊墊越來越多、越密、越小時,熔錫與噴錫處理墊面之高低不平,造成錫膏印刷不易與零件踩腳困難,進而造成熱風或熱氮氣熔焊(Relow)品質的劣化。此與十餘年前盛行的通孔波焊,或後來墊面還夠大時的錫膏熔焊等皆大異其趣。彼時之墊面噴錫處理,無論在焊錫(Solderablity)或焊點強度(Joint Strength)方面,均非其他可焊處理之所能望其項背。良好的ENIG平均可耐到3次的高溫焊接,目前也是浸銀或浸錫處理所無法相提並論的。

圖2.由於微小球墊上ENIG之焊接不太可靠,加以黑墊又常發生,逼得組裝者對該等難纏的CSP微墊只好改採OSP皮膜,板價不斷下降,做法反倒更難,如此HDI高科技有何榮耀可言?甚至業者還將之改成Super Solder 先上銲料,更是大材小用其心良苦。

 

  然而如今手機板上所裝的多顆mini-BGA或CSP,其眾多微墊之焊接,不但讓元件商與組裝者心驚膽跳,PCB業者更是草木皆兵聞 退 變色(品質不佳退貨賠償)。目前手機板上一般行情的CSP(此晶片級封裝品係指墊距Pitch在0.8mm以下之BGA),其圓型承墊之Pitch僅30mil,而墊徑更只有14mil而已;而且小型QFP長方焊墊的墊寬更已窄到了只有8mil,如此狹小墊面上所印的精密錫膏,如何能容忍先前噴錫的高低不平?

  均勻平坦的可焊處理層,當然不是只有ENIG而已,曾經量產者尚有OSP有機保焊處理,浸錫處理(Immersion Tin;最近已出現量產之規模,後效如何尚待觀察),化鎳浸鈀金處理,甚至化學浸錫或化學錫鉛等處理。其中除了OSP外,其他多半由於製程不穩或後患太多而無法成其氣候,實務上當然根本不是化鎳浸金的對手。且OSP的耐久性與抗污性又不如化鎳浸金,而免洗錫膏中活性甚弱的助焊劑,是否在焊前瞬間能及時除去OSP之老化皮膜,而能順利沾錫焊妥者亦大有問題。

圖3.左為三四年前赫赫有名電腦心臟CPU,其FC式P-3封裝載板腹底植針焊接之基墊情形。中為較後版本的P-3載板腹面已完成植針與18顆解耦合電容器SMT焊接之畫面。右為功能更強面積更小的P-4,其尚未植針與焊接電容的腹面。注意,此等FC載板之覆晶正背面中央,小小立錐之地竟然擠進400-1000顆的銲錫凸塊,做為大號晶片的顛覆焊緊作用。於是雙面ENIG之皮膜,共經正面印膏與熔成凸塊,下游客戶的覆晶焊接,及腹面焊接植針與電容器的貼焊等;至少須經三次以上的高溫考驗。任何毫厘疏失所造成的恐怖後果,絕不是割地賠款所能善罷甘休的。當然其ENIG動則棄槽之嚴酷管理,也只有這種單價5-9美元的量產載板才能玩得下去。此低單價高階品的量產,早已不是養尊處優吃香喝辣的老外們所能染指,吃苦耐勞的台灣人,才正是價廉物美電腦普及的幕後功臣。

 


  除了上述的一般焊接外,ENIG之墊面當然也可做為FC封裝板的球腳之植球基地,或錫膏成半球後的凸塊(Bump)承墊。

1.2 墊面之接觸導通一向優異別無分號

  手機板除需零件焊接外,有些墊面還要執行摁鍵導通,黃金不生鏽正是Contact Connection的最佳候選。手機板的此種摁鍵(Key Pad)做法,與LCD-TFT模組板上的ACF壓著墊等不管是直接佈局在主板上,或是另採極薄的雙面硬板或軟板之搭配主板,其觸墊表面一律都要電鍍鎳金以降低其接觸電阻。如今高難度的HDI手機板在供過於求下,身價早已低落到了便宜的商品,該等原先之正規電鍍處理,也只好降格為一次級的化鎳浸金了。

圖4.左為十年前業界所生產給Notebook用的LCD模組雙面板,水平面上下共裝16顆驅動IC,垂直用5顆IC 。全板ENIG線寬與墊寬僅4mil,平行密集的跑線達五、六百條之多。此種板顆現已改成縱橫兩長條形多層板(如上右圖),但仍採 ENIG 做為ACF壓著導通之皮膜。


  尤有甚者ENIG還可當成某些低價多層板上插拔動作的金手指用途,雖非合規之正道,但卻也聊勝於無。許多低成本DRAM狹長卡板上無斜邊之金手指,即採用此等 仿冒品式 的作法。價碼掛帥的各種商品,一切只好從簡。

圖5.此為現行熱門LCD-TFT背光顯示模組中長條多層板的一小段,其TAB所裝驅動IC之外腳,須採ACF或傳統焊接法,與此板之密集承墊完成互連,是目前業者的另一項ENIG的主力產品。

圖6.此為電腦主機板上插接用的DRAM卡板。早期工序採電鍍鎳金,現已降格改為廉價的ENIG製程,狗尾續貂情非得已

圖7.此為行動電話HDI手機主板背面之Key Pad按鍵區,也有業者另採專用的按鍵軟板或薄板做為主板的搭配,是ENIG所無法被取代的必須功能。

1.3 並具可打線能力而得以替代電鍍鎳金

  許多 晶片安裝板 (Chip on Board; COB)之承墊表面,需要對較粗(5-20 m)的鋁線進行打線(Wire Bonding)工程,使晶片得可與電路板直接互連,而令元件的封裝成本得以免除。此種不太講究固著力的場合,化鎳浸金自然就取代了成本甚貴的電鍍鎳金了。早期某些計時器,如電子錶,電子錶筆等,即採此種“降格”做法。不過近年來此類廉價商品的製造基地,早已轉移到中國大陸去了,其現行的做法甚至連ENIG在成本考量下也一併取消,出貨時只要用軟橡皮擦拭承墊的銅面,其打線後的拉力甚至還不遜於化鎳浸金。成本至上的原則下,此等更便宜的“無格”辦法,當然就把相形見拙的“降格”政策取而代之了。

圖8.左上為電鍍鎳金快速打細金線互連(Ball to Wedge)所用精密COB 之高階多層板類;下左為低階COB之雙面板,下右為中階COB的四層板,後二者均為慢打粗鋁線(Wedge to Wedge)用的產品。由於完工組件單價太低,故其承接皮膜也只好由電鍍鎳金改為ENIG了。甚至許多大陸的台商,連ENIG也都再次省掉,而改成擦拭的裸銅板出貨,黃鼠狼下耗子成何體統?

 

1.4 高溫中不氧化可做為散熱之表面

  某些高功率的元件除其背面可加裝散熱之鰭片外,其腹底的板面區域亦可另設一些散熱用的通孔。此時其孔壁孔環即可實施化鎳浸金處理,在免於氧化下協助積熱的散逸,並可增加孔壁的機械強度,有如鉚釘一般可使多層板的結構更為優化。許多筆記型電腦板上CPU的承受區,或BGA式元件的焊接基地,或其他小型卡板上即採用這種全面性的ENIG散熱孔。

圖9.上三種六八層板,均採ENIG做為高功率多腳元件腹底通孔之散熱用途。由於鎳金層對於銅孔的補強,使得互連兼散熱或只做散熱者,等長期任務皆可達成。中圖為當年TAB式Pentium-1之320腳CPU,採Super Solder法焊墊的十層板,其中央方塊ENIG皮膜區,共有9.8mil的小孔256個,花費當然很貴。為了降低成本,乾脆打掉所有窗櫺改成喏大個方門(右圖),不但便宜而且散熱還更方便。奇怪,早幹嘛去了?

 

 

二、化鎳浸金失寵的背景

  ENIG兼具可焊接、可觸通、可打線,與可散熱等四種功能於一身,一向是各種密集組裝板類的寵兒,並早已成為其他表面處理所無法取代的地位。曾幾何時,當筆記型電腦之主機板與後起的電話手機板上,其BGA或CSP焊墊既多又小之際,ENIG即逐漸發生焊錫性的欠佳,焊點強度(Joint Strength)不足,焊點後續可靠度低落,甚至焊點裂開分離後,還會出現黑色鎳墊(Black Pad)的種種的災難,均令生產者又恨又愛,無詞以對有苦難言。

圖10.左為ENIG焊後最常發現黑墊的災區,集中在BGA元件腹底組裝板的球墊上,手機板上CSP的微墊更加糟糕。右為“能譜儀”ESD分析黑墊中發現正常鎳面的含磷量為Wt4.6%,而黑帶區卻高達9.8wt%。


  美國業者(多半為下游組裝者)為了從根本上通盤改善ENIG的品質起見,著名的ITRI(互連技術研究協會)曾在1997.8月組成了一個專案研究改善的聯盟(Consortium),共有22家相關業者參與(PCB及PCBA業者與藥水供應商),希望能在特殊考試板(Test Vehicle)的小心模擬下,找出故障失效(Failure)的真正原因。然而5年來雖經眾人不斷努力,非但所得有限而且評比上也乏善可陳。經數度IPC Show之Proceedings以及其他期刊中,已發表20多篇的大型論文中,實在看不到其真正原因與徹底解決的辦法,細讀之餘仍然是一頭霧水混沌難清。唯一可行的笨方法,就是縮短化鎳與浸金等槽液的使用期限,至於其等減壽的幅度如何,則端視其產品的位階檔次而定。

  筆記型電腦主板所採用的ENIG,三四年前許多台灣有名的大廠,均發現過後續偶發性的焊點強度不足,焊後一兩個月甚至更短的時間內,即發現少許焊點裂開及鎳面發黑的Black Pad問題。其慘遭滑鐵盧割地賠款之痛苦歷史,至今餘悸猶存。瘟疫所及敢說無人無之。某些天真到近乎無知的下游客戶與外行的PCB業者,起初竟以為黑膜是碳成份的累積所致,因此還勞師動眾認真檢討不已,其之大膽程度實在不敢恭維。

 



  其實此黑膜是氧化鎳(NixOy)之複雜組成,根本原因是化鎳表面在進行浸金置換反應之際,其鎳面受到過度氧化反應(金屬原子溶成金屬離子其原子價升高者,稱為廣義的氧化),加以體積甚大金原子的不規則沉積,與其粗糙晶粒之稀鬆多孔,形成底鎳續經“化學電池效應”(Galvanic Effect亦稱賈凡尼效應)的強力促動,而不斷進行氧化老化,以致在金面底下產生未能溶走的“鎳鏽”所繼續累積而成。前述的笨辦法(例如化鎳槽由原先的6個MTO縮短到目前的4個MTO),也只能減輕其正常置換以外的不良之症狀而已,完全無法徹底根除黑墊的偶發與存在。

  這種越做越怕而提早換槽的主要目的,就是在縮減槽液中的H3PO4累積量,維持其鍍層中的正常含磷量(7-9%),使保有較好的焊錫性與抗氧化性(與抗蝕性並不完全相同),期能減輕被高溫金水過度攻擊的程度,甚至延緩後續Galvanic效應的醞釀發酵。說穿了這也只是一種無可奈何之下勉強可行的做法罷了。如今不但手機板上各種大小焊墊幾乎全靠它,甚至連著名CPU用的覆晶(Flip Chip)式封裝載板,其各獨立覆墊上也不得不採用ENIG做為銲錫“突塊”(Solder Bump)的著落點。據說其化鎳槽液的壽命更已縮短到了不足3個MTO,金水中的鎳污染含量亦應拉低到500ppm以下,甚至還將純置換式的鍍金層,不惜成本的更改配方為半置換半還原式的複合金層(如上村的商品TSB-71),以減少後續黑墊災難的發生。

圖12.左為CPU用高精密FC載板之球腳底面,中為該覆晶區長有銲錫突塊的正面,右為檢查ENIG 球腳承墊,經植球後所具銲點強度之推球剪力試驗(Ball Shear Test)。是檢驗ENIG高階用途的有力工具。


  由於各種深入研究之報告極多而無法一一詳述,故只能慎選其內容完善者,按作者及所屬公司的不同而簡述於後,讀者有興趣欲進一步追究時,可直接閱讀大量之原文資料。

 

三、各種重要研究報告之內容摘要

3.1“故障機理的根本原因”A Root Cause Failure Mechanism”

  本文係Hadco公司Nicholas Biunno所撰寫。此著名的Hadco公司原為美PCB排行之亞軍業者,現已被CEM的龍頭Sanmina於1999年所併購。本文原發表於IPC1999三月展覽之論文集中(S-18-5),後又轉載於1999年6月號(No.6)英國所發行季刊Future Circuit International之P.133共有7頁。本文對黑墊的形成說明甚詳,其要點如下:

3.1.1原理性說明
  ENIG可焊層所形成的銲點(Solder Joint)是生長在鎳層上(即形成Ni3Sn4的IMC),而浸金之薄層(2-4 m)於焊接過程中會迅速溶入錫體之中。故知黃金本身並未參與銲點的組織,其唯一的功用就是在保護化鎳層免於生鏽或鈍化(Passivation),否則將不能形成IMC也無法焊牢。金層愈厚熔入銲點的量也將愈多,反而會造成脆化以致銲點強度愈糟也愈不可靠。

  鎳溶解與金沈積同時發生置換反應,一旦當其界面被金層所密封而無鎳可溶時,則金層的沈積亦將停止。但由於金層疏孔極多,在並不密實的結構下仍可緩慢進行反應。總體而言,金水在某些因素影響下之過度活躍性(Hyperactive),將造成局部鎳面非規律性的過度氧化,縱使鋪滿金層後其與底鎳之界面間,事實上早已存在了一些可觀的氧化物,繼續老化惡化之後遂將成為惱人的黑墊。此種災難純屬偶發性,其出沒的位置也無從捉摸,是一種完全預測不到的隱憂後患。

  化鎳槽液的pH值對鎳層厚度及結晶外形(Topography)影響最大,而作業溫度對鎳層與金層的沈積速率則最具主宰性。

3.1.2所見八種置換模式的說明

  採用SEM(掃瞄式電子顯微鏡)搭配EDS(能譜儀),Auger Spectroscopy(歐傑氏光譜儀),FIBM(聚焦性離子束微測頭;Focus Ion Beam Micropobe)等儀器,對ENIG進行仔細的表面分析,說明化鎳層(鎳原子)在金水中所產生的氧化性溶解,同時出現金氰錯離子的負電性還原,而沈積成為金原子等反應的結果,該文以8張高倍顯微照片敘述其置換經過的模式:

(1) 金水攻咬鎳層表面之結晶;只針對球狀鎳晶交界面之軟弱處進行攻擊,側視方向可看出其深入程度約占晶球直徑的1/4。
(2) 金水仍沿鎳晶界面攻擊;俯視可見其效果已較深入,且超過球徑的1/4。

 

(3) 金水已對鎳磷合金的球晶本體進行攻擊,截面所見其攻入之深度雖淺,但面積卻甚廣。
(4) 金水之攻擊已十分深廣,過度活躍的反應結果可由側視窺見,事實上其等均已侵入界面及結晶本體。

 

(5) 鎳磷合金的球狀結晶體受到金水圍攻,截面可見到其四周及底部界面處俱已滲入。
(6) 局部鎳層受攻擊較深,截面可見到區域性的部份“黑帶”,原因當然是該區之金水活性太強造成反應過激所致。

 

(7) 焊墊轉角處受到強力攻擊,致使鎳金屬產生過度氧化反應,在還來不及溶成離子游走之前,即被粗大的金層所逐漸覆蓋。由於反應尚未停止,鎳層也繼續向內部進行氧化而變質,形成表面看似正常而內部卻已變黑異常了。此現象只要選擇良好的剝金液將金層去除掉後,底鎳零星散佈的黑墊立即一目了然無所遁形。
(8) 金水過猛置換反應過劇,致使鎳層迅速氧化而變黑及增厚,並已超過鎳晶的1/4,甚至當金層已進行覆蓋之際,由於本身疏孔太多,以致於擋不住氧化鎳的上下生長而形成大片黑墊。最後雖被較厚金層所蓋滿,但其夾層中的薄金層仍清晰可見,此時將會出現縮錫(Dewetting)的效應。

 

 

  由上述精密儀器所發現的結果看來,黑墊的形成是由於金水活性太猛,造成鎳的氧化速度遠超過了金的還原,氧化鎳未能全數水解之前即被金層所披覆,去路被阻之際只好以黑墊方式附積在金層之下。至於為何此種過度反應只在局部區域偶而生,則自始至終無法完全模擬重現出來,以致其故障模式(Failure Mode)與真正原因至今未明,上述說理也只是想當然爾。雖然如此但卻也觀察到了某些邏輯性的現象,以下即再試圖從原理探討上加以敘述。

(9) 從底部之放大黑鎳表面可看到,其結構是一種有裂紋的黑泥狀組織(見下圖17左上畫面),並從3萬倍以上的SEM相片看出鎳層組織並不密實,也幾乎沒有存在著形成銲點所必須的IMC(Ni3Sn4)。此時之含磷量已超過10%,證明所操作的化鎳槽液已十分老化了。一般新配槽液所鍍鎳層之含磷量約在5~6%左右,到了5~6MTO以後平均將會增加到9~10%,目前較保險的作業規範是控制其含磷量在7~9%。磷量低時容易形成IMC,故焊錫性較好,磷量較高時焊性雖較差,但耐蝕性卻較好,不過因過氧化物而產生的黑墊卻反倒未見減少。
(10) 再用FIBM觀察某些黑墊區的斷層組織,發現各球狀鎳晶之界面均已被金水所深深刺入(見下圖17之右二畫面)。但此種異常並非隨機任意分佈,而是集中在某些特殊的焊墊表面。可能是由於該等焊墊之電場(Electric Field)或擊發電荷(Trigger Charge)較強,造成金水的攻擊特別猛烈,為證明此假想的可能性,於是就設計了下述的實驗。
該實驗是將一個8層板,於板邊某些電容器所屬面積稍大之兩焊墊,各焊接上一條細線並引出水面,在進行“浸金”作業的同時,刻意設計三種試驗:

(a)兩引線任其自由(b)將兩引線相連(意指兩墊中必有一墊是通往Vcc或Gnd的大銅面上去)(c)將兩線分別接到外電源的正1伏特上去;然後即進行一般性的ENIG及觀察剝金後的鎳面。

 

於是在(a)的情形下可見到其浸金層出現前述圖10到圖11的正常置換反應。而(b)情況可只見到如同前圖10中兩畫面之模式,由於已接到內層的

  大銅面去,故可使得二鎳面稍呈負電性,而抑制了金水的過度攻擊,因而只出現較輕度的置換反應,並未發生黑墊。(c)情況則是刻意使其焊墊具有正1伏特的正電性,在加強氧化下其鎳面亦如立竿見影般悉數出現黑墊,如下圖18中右側四個黑墊及其放大之畫面(圖19及20)。但圖18中另外連到Ground的5個橘色墊面,則因已帶有負電性而有利於金的沈積,即使鎳層係於正常速度進行溶蝕者,但帶正電的金氰錯離子卻因其加速還原,而過度堆積成為巨大晶粒的金面(其晶粒約為正常浸金的1000倍,見圖22及23),故而形成橘色的粗糙外觀。

 


(11) 為了更進一步瞭解鎳面的黑墊情形,刻意將鍍後的金面再用氰化物溶液予以剝除,從已被金水咬過的底鎳面上,原子分別可看到下列四種不同的放大情形。

 

  上週與網友分享白蓉生老師的大作──「化鎳浸金焊接黑墊之探究與改善」(上篇)之後,其實Black Pad的真因(Root Cause)已經呼之欲出,換言之,若槽液中H3PO4出現快速累積,而使鎳面的含磷量超過正常範圍之後,就會助長IMC效應,使鍍金層下的鎳面不斷氧化,而Black Pad也隨著時間變化而日益明顯。因此改善之道無他,精通學理之後,做好製程管制即可,這樣不但可遠離Black Pad的糾纏,更可享受價廉物美的好處。「書中自有黃金屋」真是不假,願PCB界的朋友彼此共勉!

转自:[tpcb]


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