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化镍浸金焊接黑垫之探究与改善
[作者:白蓉生]    2006/5/3 14:56:21    本文被阅读7695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。

 

三、各種重要研究報告之內容摘要

3.2 美國ITRI(互連技術研究協會)針對ENIG的專案研究(略)

3.2.4 美國ITRI化鎳浸金專案研究的結論(2001年3月)

 

  1. 假設載板與組裝之焊墊與錫球之品質,彼此都相同而暫不加以考慮時,則其銲點強度與可靠度將直接與IMC本身的強度有關。由於噴錫與OSP製程在焊接中所形成的IMC為Cu6Sn5,且又未遭其它不純金屬(如金、銀等)的熔入而污染,故所表現出的強度自然最好。

  2. 至於浸銀或浸錫兩種製程仍屬資淺,極薄的浸銀層(2-4 m)在焊接過程中將迅速溶入銲錫而消失,與ENIG的金層所表現出來的行為完全相同,只不過是ENIG的IMC是Ni3Sn4,而浸銀的IMC卻是Cu6Sn5反倒較強而已。然而Ag的不耐老化性,使其在空氣中極易變質,與之ENIG的耐污耐久相比,則又不如遠甚。至於浸錫層則於焊點中會迅速形成Cu6Sn5的IMC,即使無焊接處的浸錫層也會逐漸被底銅所吸收成為IMC,使得外觀上也由先前的亮白色而老化轉為灰白色。

  3. 由前可知ENIG所得Ni3Sn4先天不足之IMC使然,即使強度再好也不會超過噴錫與OSP。想要自黑墊的陰影中全身而退也幾乎不可能。在嚴加管理下並以縮短槽液壽命的方式來提高良率,雖非睿智之舉,但亦屬無可奈何之中的免強出招。

3.3 另篇黑墊論文佳著Black Pad:ENIG with Thick Gold and IMC Formation During Soldering and Rework(IPC 2001論文集S10-1-1)

  本文甚長共有18頁且含46張照片,作者Sungovsky及Romansky均任職於加拿大之Celestica公司(CEM廠商類),與前ENIG專案負責人Houghton皆屬同一公司。本文亦從模擬實際板的焊接及拉脫著手,而仔細觀察黑墊的成因。並對ENIG的層次結構深入探討,更值得的是尚就故障銲點與脫落元件提出了挽救的辦法,是其他文獻所少見。現將全文要點整理如下:

  1. 綜合前人研究認為BGA的圓墊與QFP的長墊,其等銲點的脫裂與黑墊的發生,是一種難以捉摸的偶發性缺點(Sporadic Depect)。發生的可能機理(Mechanism)係於置換反應中,當一個體形較小的鎳原子(氧化)溶走的同時,會有兩個體形甚大的金原子(還原)沈積,在晶格成長時會造成全面推擠性的差排(Misalignment),因而使得鎳與金的界面中出現很多的空隙疏孔,甚至藏有藥水等,容易會造成鎳面的繼續鈍化及氧化。

    圖38.左為已有黑墊的銲點用牙籤即可推裂,摧枯拉朽莫此為甚右為移走零件腳後的墊面黑垢,災情嚴重下場淒慘。


  2. 置換反應中金水過度活躍又猛攻含磷較多(9%以上)的鎳層,以致在鎳金界面中形成的各種黑墊的惡果(即前文3.1中Biunno的發現)。金層不宜太厚,否則對強度不但無益反而有害(拜託!老師傅們請千萬別再自作聰明自以為是了!),即使未能全數溶入焊錫之中時,還會積存而以AuSn4參與黑墊的犯罪組織。

  3. 化鎳藥水管理不善,綠漆硬化不足,以致有機物溶入甚多,使得黑墊中不但為NixOy的主成份外,亦發現碳的含量頗高。

  4. 曾用XRF量測實驗板上QFP與BGA等總共239個焊墊,以及通孔環面的鎳厚與金厚,發現鎳厚的變化很大(75 in-224 in),金厚的落差也不少(2.2 in-7.5 in)。通常鎳薄處金層會較厚,尤其在各焊墊轉側壁的直角處更是異常。

  5. 化鎳層是呈片狀(Laminar)生長的瘤狀結晶(Nodule Structure),其瘤徑大小約900-5000nm,分別有微結晶與非結晶兩種組織,與添加劑有直接關係。其添加劑多集中在瘤體的邊界處,使得該接壤區域的自由能較高,以致耐蝕性變得較差,因而十分容易受到金水的攻擊。嚴重時甚至發生鎳與金之間出現多層交互堆積的現象,進而妨礙IMC的生成並導致銲點強度的脆弱不堪。

    圖39.左為化鎳的片層狀與瘤狀組織,右為浸金後金原子取代了自由能較高的鎳地盤,而成為交互積層的怪異現象。


  6. 焊接的瞬間金層會以1.33 m/秒(比常溫快30-40倍)的溶解速度溜進銲錫之中,而鎳的溶速則很慢,僅0.002 m/秒而已。通常銲錫對金的安全溶解度約為3-4%的原子數比率,但鎳之可溶原子數卻更低到10-5%,相較之下金溶入的速度對鎳而言應在數萬倍以上。故知在焊接的瞬間,薄薄的金層(2-4 in)早已消失而進入銲錫的主體去(通常原子數之含量約為0.03-0.04%之間,一旦超過0.3%時銲點會變脆),使得鎳與錫會在較慢速度下形成IMC而焊牢。

  7. 在鎳表面形成銲點的IMC是以Ni3Sn4為主體,而且在錫鎳界面之間還會緩慢的長厚。一般焊接中銅與錫親合速度要超過鎳錫的10倍以上,在較易又較快生長IMC的情形之下,銅面銲點自然要比鎳面焊點更為牢靠。從EDX及高解析度SEM的分析看來,黑墊中有鎳、磷及錫的存在,其組織呈碎片狀而且十分脆弱,並含有相當多的金成份在內。對QFP銲墊而言,甚至還會出現來自底層Cu6Sn5的銅錫IMC,使得原本附著力低落之焊點變得更加軟弱。幸好BGA電鍍鎳金載板的球腳中,從未發現銅的存在而得以倖免此一另類疾病。

  8. 由於進行ENIG之鍍金時,有機物也會共鍍於金層中,不幸後續的高溫焊接之際,該等有機雜質又再被析出而浮現到表面上來。此時可採用很強的助焊劑在高溫烙鐵的協助下,能將黑墊予以溶解移除(會呈現起泡情形),並利用某種銅編線(Braid)將之吸走而得以清除。之後再添加新鮮的焊錫使形成良好的IMC,進而再造可焊接的全新基地。

      Celestica公司曾做過一些勾腳(J-Lead)銲墊的重工,發現再焊後的銲點強度都很堅固,其IMC中發現有Ni3Sn4及Ni3Sn2兩種頗強的結構存在。經由黑墊重工後的銲點與原本良好的銲點,在相同條件的拉脫試驗對比之下,發現兩者數據上相差不大,下表即為兩者間數值的對比。

表3. 原裝銲點與重工銲點拉脫強度之比較

原裝焊點
重工焊點
平均值
671.5
626.0
標準差
98.5
108.9
最低值
317.8
313.0
最高值
808.1
952.6

3.4 另篇Study of Mechanism Responsible for “Black Pad”Defects in PCB Using ENIG as a Final Finish

  本文為Atotech之美國分公司(即原先之Chemicut著名蝕刻機業者)Kuldip Johal發表於IPC 2001論文集中,編號為S10-4-1共8頁,計有22個圖及5個表。全文內容除說明黑墊之為害與可能成因外,並試圖找出黑墊的真正機理(Mechanism),也就是:

  1. 化鎳層在金水中受到有機酸與錯化劑之攻擊所產生之賈凡尼效應(Galvanic Effect),其細節到底為何?

  2. 改變化鎳的操作範圍使產生不同的結構,並讓金水中操作的化鎳層,刻意在其表面積大小上加以變化,然後觀察其所引發的電性效果,

  3. 討論金水配方中所用各種錯合劑(Complexing Agent),分析其所產生置換速度的不同與其他影響;並對金沈積的速度加以控制,而試圖避免黑墊的發生。以下即為其重點之整理:

3.4.1板面BGA或CSP圓墊銲點強度不足,甚至後續出現黑墊的原因可能有四;

  1. 元件與組裝板之間因熱漲係數(CTE)之差異而拉裂,由於載板本身之板材為BT而具較高的Tg,且所鍍之皮膜為真正直流電的電鍍鎳金,而非化鎳浸金的置換反應,少了磷的干擾與黑墊的攪局,其焊點強度自然要比ENIG優異甚多。

  2. 綠漆失準或硬化不足而對鎳水與金水造成污染。

  3. 置換金層之厚度太厚,尤其是超過5 in者。

  4. 元件安裝之腹底未加“底膠”(Underfill)之補強,無法減少或吸收應力所造成的傷害。一般而言由於黑墊發生機遇率很低,且其參與的因素又很複雜,致使真正的根本原因至今尚未水落石出
圖40.大凡有問題的 ENIG銲墊,經氰化物剝金後,變質的不良鎳面立即原“黑”畢露無所遁形。

3.4.2發現某些QFP焊墊不良,若干局部墊面出現金面變色變暗,經氰化物剝金後在SEM之1000倍放大下,發現有“黑泥”狀裂痕(Mud Crack)。此時所見不但沈積的金層太厚,而且金水還已向鎳瘤之界面處深深刺入,此種激烈的置換反應自必為害甚巨,經驗上刺入深度最好不要超過鎳厚的30%。

3.4.3建議化鎳的起碼厚度為160 in,因當鎳厚不足時其瘤狀結構之起伏落差過大,將使得金水攻擊界面的效果更猛,甚至可能會穿過鎳層而到達銅面,如此難免使得後續的銲點強度更加有問題。

圖41.左為厚度低於100mm薄鎳層其眾多溝紋之外觀,右為厚度200 mm以上晶瘤變大溝紋減少的改善畫面。


3.4.4化鎳之新槽液作業時,沈積速率甚快且含磷也較低,一般而言此時之焊錫性雖較好,但抗蝕性卻較差,對置換金來說可能更會引發過度活躍,故建議磷含量應訂定在7-11%的wt(重量比),而不宜墨守先前4-6%wt之成規。金層太厚當然是來自鎳層已遭強烈的攻擊,這正是黑墊形成的主因,故金厚度宜訂為2-5 in。

圖42浸金製程中刻意加速其置換速度者,將出現金層的浮離或起泡,千萬別忘了“欲速則不達”的老詞。



3.4.5待鍍面由於賈凡尼電性的差異而形成黑墊者,已從實驗中模擬出來,此點堪稱是補充ITRI專案計劃所未能全然達成的目標,下述者即為其實驗經過:

QFP焊墊之不良品或已有黑墊者,有許多是連通到較大面積的PTH,猜想可能置換反應的快慢強弱與賈凡尼電性有關。由計算得知QFP狹長型焊墊之面積為0.2mm2,所連0.4mm孔徑之PTH其孔壁面積(尚未包含兩外環在內)為2.75mm2,兩者面積比為1:14,一旦再加上孔壁露銅的參加攪局,將使此等QFP焊墊出現焊接不良或黑墊的機會大增。為探知此種因素與化學電池之關連性,於是ATO公司就設計一項簡單的實驗而設法模擬黑墊的生長過程。

圖43.凡PTH中一旦被綠漆堵塞則孔壁必然露銅,於是鎳後的浸金中,將使所連通到板面的小型焊墊上長出黑墊。



如下圖,使用兩條鍍過化鎳與一條裸銅的樣板,並對裸銅面積則刻意加以變化。然後將三者一併浸入高溫金水中,其中NO.1的鎳樣是與銅樣相連。由於銅面安定性比鎳面要好(也就是鎳比銅更活潑),故在金水中置換反應的競爭下,銅會強迫鎳加速氧化而讓金的沈積也變快。但槽中的NO.2的自由鎳板,則只進行常規性的置換反應,而令其當成評比的參考。共做9次實驗後所得資料如後頁之表4:

圖44.阿托科技公司美國廠模擬黑墊之實驗法。

表4. 金水中置換反應與賈凡尼電性及黑墊生成之關係

由上述及後續其他實驗得到一些結論如下:

  1. 鎳槽中板面各種獨立或相連的大小待鍍區,其各自所得到的鎳層厚度,與面積的差異或彼此是否發生電性相連的關係很小(但若露銅則另當別論);且剝金後也都未出現黑墊。

  2. 化鎳厚度差異的主要原因是來自溫度與pH等參數的變化,兩者愈高則厚度也愈厚。故生產中要注意其加熱器附近,或調節pH的加藥區附近,是否會出現參數劇變的效應。

  3. 除鎳厚度受到溫度與pH之左右外,鎳層之含磷量也會發生 1%的變化。

  4. 不管所鍍的鎳層是否有厚有薄,只要後續鍍金的條件不變,其所得之金層厚度也都幾乎相同。

3.4.6酸性金水中錯化劑(Complexing Agent)對黑墊所產生的影響

  從多方面的資料看來,浸金層太厚時(5 in以上),當然會造成底鎳的過度腐蝕,除去溫度與時間等基本鍍金操作參數外,金層的沈積速率還與其他幾種參數有關,即:

    1. 底鎳的表面形態(Morphology)。
    2. 鎳層之含磷量(by Wt)。
    3. 金水中所採用錯化劑的不同。


  金水中錯化劑的主要功用,是為了防止被咬下的鎳離子,防止其轉變為不溶性鎳鹽的沈澱。換言之就是錯化劑會捉住游離的Ni++而形成仍然可溶的錯離子(Couplex ion),如此方不致在金面上出現顆粒附著性的金面污染。錯化劑的第二功用是當成置換反應的加速“剝鎳劑”(Nickel Stripper),故知咬鎳太快時,當然就免不了會產生鎳的黑墊與金層的過度堆積。但不含錯化劑時又很難鍍上金層,所以如何慎選慎用錯化劑是浸金製程成敗的關鍵。ATO公司的此一實驗,即證明了金的沈積的確已是受到錯化劑的支配,故知此錯代化劑在配方的拿捏,是如和的關鍵。

  該針對Complexor實驗的做法,是將浸在金水中的鎳面與另一金線相連,其間並跨接一個精密電位計於其間,於是在溶鎳沈金的置換過程中,同時可測出鎳面“負電位”(Electronegative Potential)的大小。負電位愈強時鎳金屬的氧化能力愈弱(或金的還原性愈差)。ATO公司選用三種錯化劑及無錯化劑之金水試樣(金含量均為2g/l及pH4.8),按一般條件去進行鍍金,下圖45及表5即為其實驗數據與實驗架構。

圖45.左為三種不同金水中,所得金厚度差異的比較;右為實驗理念之簡圖。

  上述實驗還看到了另一事實,那就是當金水使用了前兩種錯化劑,只要沈金厚度超過6 in時,其剝金後的鎳面都會發黑。第三種的咬鎳速率極慢,即使浸鍍30分鐘所得之金層也只有3.2 in而已,故並未發現鎳面之黑墊。第四種無錯化劑者則根本不會發生置換反應。

表5.金水中錯化劑對金厚度與鎳面的影響


3.4.7結論

  1. 為了強化鎳面晶瘤之間的“界溝”,而不致被金水集中攻擊的考量下,鎳厚度至少須在160 in(4 m)以上。為了降低金水對鎳層的過度傷害,以便減少黑墊的發生與改進銲點強度起見,金層厚度不宜超過5 in,最好控制在3.2到3.6 in左右。

  2. 當板面之小銅墊已有導線連通到大銅面(比例達16:1)時,則在後續鍍金的過程中,會在小墊上發生異常溶鎳與沈金的劇烈反應(尤其所連者為鍍不上鎳裸的銅面時),極有可能發生黑墊,此即賈凡尼電化學作用的明證。不過此現象在第二次實驗的大小鎳面上,卻又未能再次出現。

  3. 金水中所添加的錯化劑會影響到金層還原的速率及金層厚度,尤其當鎳層的磷含量較低(5-7%)時,效果將更為明顯。以上各實驗及所得結果均是針對ATO的槽液而言,其他藥水是否有相同的結果則不得而知。

3.5 其他有關ENIG之論文摘要(略)

3.5.6另外6Shiply曾在2000/10的Circuitree有一篇文章,提到鎳層的卵石狀結晶是源自銅面的微粗化與具瘤狀的活化鈀層(上村公司亦有相同的看法),此種瘤狀組織愈粗糙時,浸金時裂縫中的金愈少,造成面金與深溝中的電性差異,在賈凡尼效應下對鎳的攻擊愈猛。但當化鎳層愈厚時表面也愈平滑(通常要求應在160 in以上),以減少局部過度腐蝕與造成黑墊的機會。磷含量會影響結構與抗蝕力(不宜與抗自然氧化混為一談),在7%以下時呈微晶狀(Microcrystaline),7%以上時呈非晶之不定形狀(Amorphone)。

圖48.左為化鎳最初生長的懸殊結晶之微觀,右為厚度160 mm以上較均勻的表面。


3.5.7剝錫成裸銅板時要做得徹底,以免殘餘錫或錫鉛層造成賈凡尼效應對銅面的過度腐蝕。綠漆的硬化必須完善,以免綠漆在高溫鎳水與金水中遭到漂洗(Leaching)。此二因素皆會影響鎳層瘤狀的大小。

3.5.8鍍鎳的速率要放慢以減少瘤狀與深溝,操作中的pH要控制在 0.1的範圍(不可冷後再測),液溫也要在 1℃之內。安定劑(Stabilizer)的管控要按供應商的規定,超規時將會發生漏鍍(Skip Plating即露銅)或邊緣露銅現象。金水的溫度與濃度也舉足輕重,溫度太高與金量太小將會造成鎳層的過度腐蝕與金層覆蓋太慢太薄,黑墊發生的機率當然就會上升。.鍍金後的情況絕對重要,任何目視不到的不潔,都將會導致免洗錫膏中軟弱助焊劑的無能為力、高溫水沖、純水熱洗、外加強力的機械助力(如超音波或吹氣等)都絕對必要,之後清潔的熱風乾風乾燥也是成敗的關鍵。

四、半置換半還原金層對黑墊的改善

  日本上村(Uyemura)曾在IPC發表多篇有關ENIG焊錫性及銲點強度的文章,最有創意的是更改配方為半浸鍍及半還原的複合金層(商名TSB-71),以減少對鎳層的過度攻擊。此種改善措施其減少黑墊的成效極為顯著,現將兩種不同金層之表現綜合整理如下:

4.1上村已研發5年的TSB-71金水配方中,曾加入某些還原劑,使在鍍金的後半歷程中,不再是攻擊鎳而得到置換金(Substitution),而是改採還原法得到了較緻密的還原金層(Reduction),對於難以捉摸的黑墊問題,目前已迎刃而解。除了金價以外其他成本約上升2.5倍,此種高價對於FC-BGA等高階封裝板尚可忍耐,一般產品(如手機板或卡板等)將不易負擔。

圖49.左為65% 置換加上35% 還原可耐黑墊的特殊商用金層;右為100% 置換的一般商用浸金製程。

4.2上村曾用氰化物將兩類鍍金層同時剝除,除比較其鎳面是否有黑墊黑點等目視缺點外,並利用ESCA(Electron Spectroscopy for Chemical Analysis)去分析鎳層瘤狀結晶,偵測其界隙中是否藏有深深刺入的微量黃金。一般ENIG均難逃此一靈敏檢驗,而TSB-71卻無跡可尋。

圖50.此係剝金後之對比:左為置換與還原合併之金層其底鎳十分完好;右為一般浸金層,甚底鎳已出現黑點黑線了。

 

4.3此TSB-71現已在覆晶(Flip Chip)式高階載板(如P4之CPU)的量產中使用,下游客戶所關心的植球剪力(Ball Shear)測值,均遠優於一般置換型的浸金層。甚至還將兩類試樣分別在1N的鹽酸浸泡6小時,再於其惡劣老化之後進行Dage測儀的推球剪力試驗,所得結果不但優劣立判而且數據相差很大。

圖51.左上為Dage 試驗機推球試驗之現場實物圖 ,左下為試驗之規格。右為新型半置換半還原之浸金與傳統浸金金,兩種浸酸後推再球所得數據的優 劣對比。

 

4.4分別新配置換型與複合型等兩種金水,將相同的化鎳層各自浸入鍍金,發現TSB-71在複合型金水中的溶鎳量遠低於置換型之金液,此亦證明後者攻擊鎳層的程度遠超過前者。

圖52.左為一般純置換金對置換加還原等,兩種金水中在溶鎳量上的比較,輕咬的鎳當然黑墊機會也會少。右為比較各種可焊皮膜老化後焊接品質的散錫能力試驗儀器。

4.5再利用“散錫能力”(Solder Spreading)來比較兩者之焊錫性,亦可明顯看出TSB-71之底鎳層,在未遭蹂躪下的優異焊錫性。上村亦曾利用本試驗比對ENIG與浸錫或浸銀等製程,在各種老化條件下評判其焊錫性,發現此二新製程目前都還不是ENIG的對手。

五、全文總結論

    1. ENIG中金層的用途只是在保護鎳層免於生鏽而已,並未參到銲點結構中去。金層愈厚則界面品質愈差,而銲點也愈形脆弱。千萬勿再自作聰明以為金層愈厚愈好,“鹹鴨蛋是鹹鴨子生的”這種老師傅型自以為是的歪理,實在不敢恭維!BGA元件載板的電鍍鎳金層,全係外加電流所沉積,從無置換反應,當然也就不會有鎳面發黑的道理。組裝板上的QFP或BGA等焊墊若其金層太厚時,則其底鎳必已遭金水之強攻,黑墊極有可能發生。

    2. 有關SMT表面焊裝的板類,不宜再繼續早年通孔插裝年代的“烤板政策”,認為板子要先烘烤其焊錫性才會良好,此種想法並不正確。須知愈烤則IMC愈厚而焊錫性也將愈糟,桿麵扙吹火豈有通氣之理?其實當年PTH板類的焊前先烤只是想要趕走孔壁破洞的吸濕而免於吹孔(Blow Hole)而已。然則孔壁的Void不從鑽孔與鍍孔上去根本改善,反倒是到了焊接的臨頭才來亂烤一通。這又豈是智者之所為?須知“錯誤的政策比貪污還可怕”,不管是如何的忙,基本知識總還是要吸收一點吧!

    3. 天下烏鴉一般黑,ENIG的黑墊問題堪稱自古至今無人得免,差別只在災情大小而已。雖經眾多賢者們的長期努力,但真正成因則至今未明。下游資淺用戶所常唸的緊箍咒“別家都很好就是你不行”!這種程咬金三釜頭的老套,用久了不但會破綻穿綁,更曝露了自我的低能與無知。業者避禍求福的可行辦法只有減少鎳槽的壽命至4MTO,並加強金槽管理與減少污染之嚴格把關,或根本改用半置換半還原另類鍍金之上策,以求高枕無憂一勞永逸。

    4. 各種可能取代ENIG的其他製程,目前長期量產的經驗均尚不足,一時還不致威脅到ENIG。其中含有機物的浸銀層不耐老化,且製程穩定度尚差,二次焊接也幾乎全軍覆沒!加以成本不低,故大規模流行的機會不大。至於浸錫則因配方中難以取代的硫 (Thiourea),會傷害板感光型的綠漆,而衍生極多的後患,造成板面離子污染度的大增,而讓下游客戶們擔心受怕難以認同。且其量產管理經驗尚缺,意外經過高溫或長期不良儲存者,表面的薄錫一旦與底銅轉化為IMC層,則對後續焊錫性將造成永久性的傷害。更改配方談何容易,想必白錫還需一段很長的改善時間,才可能成為一方之霸。

转自:[eurekacp]


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