化镍浸金焊接黑垫之探究与改善上篇.docx
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化镍浸金焊接黑垫之探究与改善上篇
化镍浸金焊接黑垫之探究与改善（上篇）
TPCA技术顾问 白蓉生
本文原载於TPCA会刊第十五期?
一、化镍浸金流行的原因
各种精密元件组装的多层板类，为了焊垫的平坦、焊锡性改善，焊点强度与後续可靠度更有把握起见，业界约在十余年前即於铜面逐渐采用化镍浸金（ElectrolessNickelandImmersionGold;EN/IG）之镀层，作为各种SMT焊垫的可焊表面处理（SolderableFinishing）。
此等量产板类有：
笔记型电脑之主机板与通讯卡板，行动电话手机板，个人数位助理（PDA）板，数位相机主板与卡板，与摄录影机等高难度板类，以及电脑周边用途的各种卡板（Card，是指小型电路板而言）等。
据IPC的TMRC调查指出ENIG在1996年只占PCB表面处理的2%，但到了2000年时却已成长到了14%了。
以台湾量产经验而言，1000l之化镍大槽中，单位操作量（LoadingFactor）已达gal（360cm2/L），工作忙碌时两三天就需要换槽。
ENIG之所以在此等困难板类大受上下游欢迎的原因，经过深入了解後计有下面四点：
图1.此为Errison着名手机T-28之HDI六层板（1+4+1），线宽3mil雷射盲孔5mil，其基频区共装了一颗mini-BGA及4颗CSP，其ViainPad之垫径仅12mil左右，是1999被Prismark推崇的明星机种。
初上市时售价台币两万六，由於竞争激烈及电磁波太强，2001年已跌价到了999元，灾情之惨重岂仅是唏嘘慨叹而已。
表面平坦好印好焊，小型承垫独领风骚
当板面SMT的细长方形、或圆形、或方形之焊垫越来越多、越密、越小时，熔锡与喷锡处理垫面之高低不平，造成锡膏印刷不易与零件踩脚困难，进而造成热风或热氮气熔焊（Relow）品质的劣化。
此与十余年前盛行的通孔波焊，或後来垫面还够大时的锡膏熔焊等皆大异其趣。
彼时之垫面喷锡处理，无论在焊锡（Solderablity）或焊点强度（JointStrength）方面，均非其他可焊处理之所能望其项背。
良好的ENIG平均可耐到3次的高温焊接，目前也是浸银或浸锡处理所无法相提并论的。
图2.由於微小球垫上ENIG之焊接不太可靠，加以黑垫又常发生，逼得组装者对该等难缠的CSP微垫只好改采OSP皮膜，板价不断下降，做法反倒更难，如此HDI高科技有何荣耀可言甚至业者还将之改成SuperSolder先上焊料，更是大材小用其心良苦。
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然而如今手机板上所装的多颗mini-BGA或CSP，其众多微垫之焊接，不但让元件商与组装者心惊胆跳，PCB业者更是草木皆兵闻退变色（品质不佳退货赔偿）。
目前手机板上一般行情的CSP（此晶片级封装品系指垫距Pitch在以下之BGA），其圆型承垫之Pitch仅30mil，而垫径更只有14mil而已；而且小型QFP长方焊垫的垫宽更已窄到了只有8mil，如此狭小垫面上所印的精密锡膏，如何能容忍先前喷锡的高低不平？
均匀平坦的可焊处理层，当然不是只有ENIG而已，曾经量产者尚有OSP有机保焊处理，浸锡处理（ImmersionTin；最近已出现量产之规模，後效如何尚待观察），化镍浸钯金处理，甚至化学浸锡或化学锡铅等处理。
其中除了OSP外，其他多半由於制程不稳或後患太多而无法成其气候，实务上当然根本不是化镍浸金的对手。
且OSP的耐久性与抗污性又不如化镍浸金，而免洗锡膏中活性甚弱的助焊剂，是否在焊前瞬间能及时除去OSP之老化皮膜，而能顺利沾锡焊妥者亦大有问题。
图3.左为三四年前赫赫有名电脑心脏CPU，其FC式P-3封装载板腹底植针焊接之基垫情形。
中为较後版本的P-3载板腹面已完成植针与18颗解耦合电容器SMT焊接之画面。
右为功能更强面积更小的P-4，其尚未植针与焊接电容的腹面。
注意，此等FC载板之覆晶正背面中央，小小立锥之地竟然挤进400-1000颗的焊锡凸块，做为大号晶片的颠覆焊紧作用。
於是双面ENIG之皮膜，共经正面印膏与熔成凸块，下游客户的覆晶焊接，及腹面焊接植针与电容器的贴焊等；至少须经三次以上的高温考验。
任何毫厘疏失所造成的恐怖後果，绝不是割地赔款所能善罢甘休的。
当然其ENIG动则弃槽之严酷管理，也只有这种单价5-9美元的量产载板才能玩得下去。
此低单价高阶品的量产，早已不是养尊处优吃香喝辣的老外们所能染指，吃苦耐劳的台湾人，才正是价廉物美电脑普及的幕後功臣。
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除了上述的一般焊接外，ENIG之垫面当然也可做为FC封装板的球脚之植球基地，或锡膏成半球後的凸块（Bump）承垫。
垫面之接触导通一向优异别无分号
手机板除需零件焊接外，有些垫面还要执行摁键导通，黄金不生锈正是ContactConnection的最佳候选。
手机板的此种摁键（KeyPad）做法，与LCD-TFT模组板上的ACF压着垫等不管是直接布局在主板上，或是另采极薄的双面硬板或软板之搭配主板，其触垫表面一律都要电镀镍金以降低其接触电阻。
如今高难度的HDI手机板在供过於求下，身价早已低落到了便宜的商品，该等原先之正规电镀处理，也只好降格为一次级的化镍浸金了。
图4.左为十年前业界所生产给Notebook用的LCD模组双面板，水平面上下共装16颗驱动IC，垂直用5颗IC。
全板ENIG线宽与垫宽仅4mil，平行密集的跑线达五、六百条之多。
此种板颗现已改成纵横两长条形多层板（如上右图），但仍采ENIG做为ACF压着导通之皮膜。
尤有甚者ENIG还可当成某些低价多层板上插拔动作的金手指用途，虽非合规之正道，但却也聊胜於无。
许多低成本DRAM狭长卡板上无斜边之金手指，即采用此等仿冒品式的作法。
价码挂帅的各种商品，一切只好从简。
图5.此为现行热门LCD-TFT背光显示模组中长条多层板的一小段，其TAB所装驱动IC之外脚，须采ACF或传统焊接法，与此板之密集承垫完成互连，是目前业者的另一项ENIG的主力产品。
图6.此为电脑主机板上插接用的DRAM卡板。
早期工序采电镀镍金，现已降格改为廉价的ENIG制程，狗尾续貂情非得已。
图7.此为行动电话HDI手机主板背面之KeyPad按键区，也有业者另采专用的按键软板或薄板做为主板的搭配，是ENIG所无法被取代的必须功能。
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并具可打线能力而得以替代电镀镍金
许多晶片安装板（ChiponBoard;COB）之承垫表面，需要对较粗（5-20m）的铝线进行打线（WireBonding）工程，使晶片得可与电路板直接互连，而令元件的封装成本得以免除。
此种不太讲究固着力的场合，化镍浸金自然就取代了成本甚贵的电镀镍金了。
早期某些计时器，如电子表，电子表笔等，即采此种“降格”做法。
不过近年来此类廉价商品的制造基地，早已转移到中国大陆去了，其现行的做法甚至连ENIG在成本考量下也一并取消，出货时只要用软橡皮擦拭承垫的铜面，其打线後的拉力甚至还不逊於化镍浸金。
成本至上的原则下，此等更便宜的“无格”办法，当然就把相形见拙的“降格”政策取而代之了。
图8.左上为电镀镍金快速打细金线互连（BalltoWedge）所用精密COB之高阶多层板类；下左为低阶COB之双面板，下右为中阶COB的四层板，後二者均为慢打粗铝线（WedgetoWedge）用的产品。
由於完工组件单价太低，故其承接皮膜也只好由电镀镍金改为ENIG了。
甚至许多大陆的台商，连ENIG也都再次省掉，而改成擦拭的裸铜板出货，黄鼠狼下耗子成何体统
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高温中不氧化可做为散热之表面
某些高功率的元件除其背面可加装散热之鳍片外，其腹底的板面区域亦可另设一些散热用的通孔。
此时其孔壁孔环即可实施化镍浸金处理，在免於氧化下协助积热的散逸，并可增加孔壁的机械强度，有如铆钉一般可使多层板的结构更为优化。
许多笔记型电脑板上CPU的承受区，或BGA式元件的焊接基地，或其他小型卡板上即采用这种全面性的ENIG散热孔。
图9.上三种六八层板，均采ENIG做为高功率多脚元件腹底通孔之散热用途。
由於镍金层对於铜孔的补强，使得互连兼散热或只做散热者，等长期任务皆可达成。
中图为当年TAB式Pentium-1之320脚CPU，采SuperSolder法焊垫的十层板，其中央方块ENIG皮膜区，共有的小孔256个，花费当然很贵。
为了降低成本，乾脆打掉所有窗棂改成喏大个方门（右图），不但便宜而且散热还更方便。
奇怪，早干嘛去了
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二、化镍浸金失宠的背景
ENIG兼具可焊接、可触通、可打线，与可散热等四种功能於一身，一向是各种密集组装板类的宠儿，并早已成为其他表面处理所无法取代的地位。
曾几何时，当笔记型电脑之主机板与後起的电话手机板上，其BGA或CSP焊垫既多又小之际，ENIG即逐渐发生焊锡性的欠佳，焊点强度（JointStrength）不足，焊点後续可靠度低落，甚至焊点裂开分离後，还会出现黑色镍垫（BlackPad）的种种的灾难，均令生产者又恨又爱，无词以对有苦难言。
图10.左为ENIG焊後最常发现黑垫的灾区，集中在BGA元件腹底组装板的球垫上，手机板上CSP的微垫更加糟糕。
右为“能谱仪”ESD分析黑垫中发现正常镍面的含磷量为%，而黑带区却高达%。
美国业者（多半为下游组装者）为了从根本上通盘改善ENIG的品质起见，着名的ITRI（互连技术研究协会）曾在月组成了一个专案研究改善的联盟（Consortium），共有22家相关业者参与（PCB及PCBA业者与药水供应商），希望能在特殊考试板（TestVehicle）的小心模拟下，找出故障失效（Failure）的真正原因。
然而5年来虽经众人不断努力，非但所得有限而且评比上也乏善可陈。
经数度IPCShow之Proceedings以及其他期刊中，已发表20多篇的大型论文中，实在看不到其真正原因与彻底解决的办法，细读之余仍然是一头雾水混沌难清。
唯一可行的笨方法，就是缩短化镍与浸金等槽液的使用期限，至於其等减寿的幅度如何，则端视其产品的位阶档次而定。
笔记型电脑主板所采用的ENIG，三四年前许多台湾有名的大厂，均发现过後续偶发性的焊点强度不足，焊後一两个月甚至更短的时间内，即发现少许焊点裂开及镍面发黑的BlackPad问题。
其惨遭滑铁卢割地赔款之痛苦历史，至今余悸犹存。
瘟疫所及敢说无人无之。
某些天真到近乎无知的下游客户与外行的PCB业者，起初竟以为黑膜是碳成份的累积所致，因此还劳师动众认真检讨不已，其之大胆程度实在不敢恭维。
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其实此黑膜是氧化镍（NixOy）之复杂组成，根本原因是化镍表面在进行浸金置换反应之际，其镍面受到过度氧化反应（金属原子溶成金属离子其原子价升高者，称为广义的氧化），加以体积甚大金原子的不规则沉积，与其粗糙晶粒之稀松多孔，形成底镍续经“化学电池效应”（GalvanicEffect亦称贾凡尼效应）的强力促动，而不断进行氧化老化，以致在金面底下产生未能溶走的“镍锈”所继续累积而成。
前述的笨办法（例如化镍槽由原先的6个MTO缩短到目前的4个MTO），也只能减轻其正常置换以外的不良之症状而已，完全无法彻底根除黑垫的偶发与存在。
这种越做越怕而提早换槽的主要目的，就是在缩减槽液中的H3PO4累积量，维持其镀层中的正常含磷量（7-9%），使保有较好的焊锡性与抗氧化性（与抗蚀性并不完全相同），期能减轻被高温金水过度攻击的程度，甚至延缓後续Galvanic效应的酝酿发酵。
说穿了这也只是一种无可奈何之下勉强可行的做法罢了。
如今不但手机板上各种大小焊垫几乎全靠它，甚至连着名CPU用的覆晶（FlipChip）式封装载板，其各独立覆垫上也不得不采用ENIG做为焊锡“突块”（SolderBump）的着落点。
据说其化镍槽液的寿命更已缩短到了不足3个MTO，金水中的镍污染含量亦应拉低到500ppm以下，甚至还将纯置换式的镀金层，不惜成本的更改配方为半置换半还原式的复合金层（如上村的商品TSB-71），以减少後续黑垫灾难的发生。
图12.左为CPU用高精密FC载板之球脚底面，中为该覆晶区长有焊锡突块的正面，右为检查ENIG球脚承垫，经植球後所具焊点强度之推球剪力试验（BallShearTest）。
是检验ENIG高阶用途的有力工具。
由於各种深入研究之报告极多而无法一一详述，故只能慎选其内容完善者，按作者及所属公司的不同而简述於後，读者有兴趣欲进一步追究时，可直接阅读大量之原文资料。
三、各种重要研究报告之内容摘要
“故障机理的根本原因”ARootCauseFailureMechanism”
本文系Hadco公司NicholasBiunno所撰写。
此着名的Hadco公司原为美PCB排行之亚军业者，现已被CEM的龙头Sanmina於1999年所并购。
本文原发表於IPC1999三月展览之论文集中（S-18-5），後又转载於1999年6月号（）英国所发行季刊FutureCircuitInternational之共有7页。
本文对黑垫的形成说明甚详，其要点如下：
原理性说明
ENIG可焊层所形成的焊点（SolderJoint）是生长在镍层上（即形成Ni3Sn4的IMC），而浸金之薄层（2-4m）於焊接过程中会迅速溶入锡体之中。
故知黄金本身并未参与焊点的组织，其唯一的功用就是在保护化镍层免於生锈或钝化（Passivation），否则将不能形成IMC也无法焊牢。
金层愈厚熔入焊点的量也将愈多，反而会造成脆化以致焊点强度愈糟也愈不可靠。
镍溶解与金沈积同时发生置换反应，一旦当其界面被金层所密封而无镍可溶时，则金层的沈积亦将停止。
但由於金层疏孔极多，在并不密实的结构下仍可缓慢进行反应。
总体而言，金水在某些因素影响下之过度活跃性（Hyperactive），将造成局部镍面非规律性的过度氧化，纵使铺满金层後其与底镍之界面间，事实上早已存在了一些可观的氧化物，继续老化恶化之後遂将成为恼人的黑垫。
此种灾难纯属偶发性，其出没的位置也无从捉摸，是一种完全预测不到的隐忧後患。
化镍槽液的pH值对镍层厚度及结晶外形（Topography）影响最大，而作业温度对镍层与金层的沈积速率则最具主宰性。
所见八种置换模式的说明
采用SEM（扫瞄式电子显微镜）搭配EDS（能谱仪），AugerSpectroscopy（欧杰氏光谱仪），FIBM（聚焦性离子束微测头；FocusIonBeamMicropobe）等仪器，对ENIG进行仔细的表面分析，说明化镍层（镍原子）在金水中所产生的氧化性溶解，同时出现金氰错离子的负电性还原，而沈积成为金原子等反应的结果，该文以8张高倍显微照片叙述其置换经过的模式：
（1）金水攻咬镍层表面之结晶；只针对球状镍晶交界面之软弱处进行攻击，侧视方向可看出其深入程度约占晶球直径的1/4。
（2）金水仍沿镍晶界面攻击；俯视可见其效果已较深入，且超过球径的1/4。
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（3）金水已对镍磷合金的球晶本体进行攻击，截面所见其攻入之深度虽浅，但面积却甚广。
（4）金水之攻击已十分深广，过度活跃的反应结果可由侧视窥见，事实上其等均已侵入界面及结晶本体。
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（5）镍磷合金的球状结晶体受到金水围攻，截面可见到其四周及底部界面处俱已渗入。
（6）局部镍层受攻击较深，截面可见到区域性的部份“黑带”，原因当然是该区之金水活性太强造成反应过激所致。
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（7）焊垫转角处受到强力攻击，致使镍金属产生过度氧化反应，在还来不及溶成离子游走之前，即被粗大的金层所逐渐覆盖。
由於反应尚未停止，镍层也继续向内部进行氧化而变质，形成表面看似正常而内部却已变黑异常了。
此现象只要选择良好的剥金液将金层去除掉後，底镍零星散布的黑垫立即一目了然无所遁形。
（8）金水过猛置换反应过剧，致使镍层迅速氧化而变黑及增厚，并已超过镍晶的1/4，甚至当金层已进行覆盖之际，由於本身疏孔太多，以致於挡不住氧化镍的上下生长而形成大片黑垫。
最後虽被较厚金层所盖满，但其夹层中的薄金层仍清晰可见，此时将会出现缩锡（Dewetting）的效应。
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由上述精密仪器所发现的结果看来，黑垫的形成是由於金水活性太猛，造成镍的氧化速度远超过了金的还原，氧化镍未能全数水解之前即被金层所披覆，去路被阻之际只好以黑垫方式附积在金层之下。
至於为何此种过度反应只在局部区域偶而生，则自始至终无法完全模拟重现出来，以致其故障模式（FailureMode）与真正原因至今未明，上述说理也只是想当然尔。
虽然如此但却也观察到了某些逻辑性的现象，以下即再试图从原理探讨上加以叙述。
（9）从底部之放大黑镍表面可看到，其结构是一种有裂纹的黑泥状组织（见下图17左上画面），并从3万倍以上的SEM相片看出镍层组织并不密实，也几乎没有存在着形成焊点所必须的IMC（Ni3Sn4）。
此时之含磷量已超过10%，证明所操作的化镍槽液已十分老化了。
一般新配槽液所镀镍层之含磷量约在5~6%左右，到了5~6MTO以後平均将会增加到9~10%，目前较保险的作业规范是控制其含磷量在7~9%。
磷量低时容易形成IMC，故焊锡性较好，磷量较高时焊性虽较差，但耐蚀性却较好，不过因过氧化物而产生的黑垫却反倒未见减少。
（10）再用FIBM观察某些黑垫区的断层组织，发现各球状镍晶之界面均已被金水所深深刺入（见下图17之右二画面）。
但此种异常并非随机任意分布，而是集中在某些特殊的焊垫表面。
可能是由於该等焊垫之电场（ElectricField）或击发电荷（TriggerCharge）较强，造成金水的攻击特别猛烈，为证明此假想的可能性，於是就设计了下述的实验。
该实验是将一个8层板，於板边某些电容器所属面积稍大之两焊垫，各焊接上一条细线并引出水面，在进行“浸金”作业的同时，刻意设计三种试验：
（a）两引线任其自由（b）将两引线相连（意指两垫中必有一垫是通往Vcc或Gnd的大铜面上去）（c）将两线分别接到外电源的正1伏特上去；然後即进行一般性的ENIG及观察剥金後的镍面。
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於是在（a）的情形下可见到其浸金层出现前述图10到图11的正常置换反应。
而（b）情况可只见到如同前图10中两画面之模式，由於已接到内层的
大铜面去，故可使得二镍面稍呈负电性，而抑制了金水的过度攻击，因而只出现较轻度的置换反应，并未发生黑垫。
（c）情况则是刻意使其焊垫具有正１伏特的正电性，在加强氧化下其镍面亦如立竿见影般悉数出现黑垫，如下图18中右侧四个黑垫及其放大之画面（图19及20）。
但图18中另外连到Ground的5个橘色垫面，则因已带有负电性而有利於金的沈积，即使镍层系於正常速度进行溶蚀者，但带正电的金氰错离子却因其加速还原，而过度堆积成为巨大晶粒的金面（其晶粒约为正常浸金的1000倍，见图22及23），故而形成橘色的粗糙外观。
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（11）为了更进一步了解镍面的黑垫情形，刻意将镀後的金面再用氰化物溶液予以剥除，从已被金水咬过的底镍面上，原子分别可看到下列四种不同的放大情形。
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