电子产品装联过程可靠性热点问题（ 四）

黑焊盘现象

定义与特征

定 义 ：化 学 镍 金（ENIG Ni/Au）用作 PCB 或 BGA 基材表面涂层后，由于 Ni 被深度腐蚀或被氧化，在焊接中出现不润湿或半润湿现象或者焊接后易引起焊点断裂，焊接面除金后呈现灰黑色“镍面龟裂”形貌或者断裂的镍面呈灰黑色“泥浆”样貌，简称“黑盘现象”。化学镍金（ENIG Ni/Au）镀层结构如图 1-1 所示、典型的黑盘现象如图 1-2 所示。

图 1-1 典型的 ENIG 镀层结构

图 1-2 黑焊盘典型特征

特征 ：黑焊盘现象是化学镍金（ENIG Ni/Au）表面处理方式特有的失效模式。由于 Au 层的多针孔性，挡不住氧化 Ni 的上、下生长而形成大片氧化物，严重时形成有腐蚀斑点穿过浸金表面底部的富P层延伸到Ni 层的大面积黑色焊盘。当黑盘生成后，ENIG 的表面的金镀层并没有明显的变色，容易给人造成焊盘的表面处理仍然良好的假象。当出现黑色焊盘进行焊接时，作为可焊性保护层的Au 迅速溶解到焊料中去 , 而被腐蚀氧化了的 Ni 则不能与熔融焊料形成合金化，导致焊点可靠性严重下降，稍受外力即发生开裂。

形成机理： 

（1）在 ENIG Ni/Au工艺工程中，金液侵蚀镍层，留下粗糙的富 P 层与钎料形成弱连接，在相当小的外力作用下导致焊点断裂或失效。如图 1-3 所示黑焊盘切片，没有 IMC 形成 ；如图 1-4所示黑焊盘造成的典型焊点开裂。

图 1-3 黑焊盘切片典型特征，无 IMC 形成

图 1-4 黑焊盘造成的典型焊点开裂

（2）当涂层过薄 Au 或者工艺过程参数控制不当时，就可能造成覆盖在Ni 上的 Au 质量低劣或厚度不足，存在大量的针孔，空气中的氧（O）穿过这些针孔直接向底层的 Ni 侵蚀，导致黑焊盘形成。

解决措施

预防黑焊盘的形成，主要控制PCB 制造商表面镀层处理、PCBA 组装用户端检测及鉴定措施。

1）制造阶段主要是要做好电镀金液的维护以及工艺温度的控制，使镀层中的镍磷比例处于最佳状态，一般镍的比例控制在 9%~11%。酸性的金水也需要很好维护，其腐蚀性过强时应该及时调整 ；

2）对于PCBA 组装用户应该采取如下方法 ： 

① 首先，最好使用扫描电子显微镜（SEM）对焊盘的表面处理进行表面观察，主要检查镀金层是否存在裂纹，并用 EDS 分析镍镀层中磷的比例是否在正常范围内 ；

② 其次，选择典型的焊盘来手工焊接并测量其焊点的拉脱强度，异常小的拉脱强度证实可能存在黑焊盘 ；

③ 最后，对 ENIG 样品进行酸性气体腐蚀试验，如果发现其表面长出粉末或变色，说明焊盘上的金镀层有龟裂，也就说明有黑盘存在的可能。

偏析效应

定义与特征

定义 ：金属合金中各部分化学成分的不均匀，称为偏析。

特征 ：在电子组装焊接中，偏析是一种冶金过程发生的缺陷，由于焊点各部分的化学成分不一致，使其机械及物理性能减弱，影响焊点的工作性能和使用寿命。因此，在生产中必须防止合金在凝固过程中发生偏析。

形成机理

1） 焊接过程中 Pb 偏析形成机理在 SnPb 合金钎料选择性扩散中，其中只有 Sn 元素扩散，Pb 根本就不扩散，这种扩散叫做选择扩散。只有Sn 向母材（如 Cu）中扩散，而 Pb不扩散，残留在界面上而形成 Pb 偏析，如图 2-1 所示选择性扩散结合界面出现 Pb 偏析现象。

图 2-1 选择性扩散结合界面出现 Pb 偏析现象

出现选择性扩散时，当靠近Cu的Sn扩散到Cu内后，距 Cu 较远的 Sn 原子则由于 Pb 原子的阻挡减慢了扩散速度。经过一定时间后在靠 IMC 的附近就会形成富 Pb层而形成 Pb 偏析，成为应力脆相区。如图 2-2 所示在 Cu6Sn5IMC 附近出现 Pb 偏析。

图 2-2 Sn 选择性扩散之后在 IMC 附近形成富 Pb 偏析

偏析对焊点可靠性的影响

1） 偏析少的微细金属相均匀分布的钎料结晶组织是最佳状态，由于偏析等原因形成的低熔点脆性相，在低应力下也会成为破坏的起点 ；

2） 在高温老化中，由于原子扩散速率加快， 对于有铅焊接制程形成焊点，Sn 进入金属间化合物层，老化产生了一个紧挨着界面的 IMC 的连续的富 Pb 相区域，它提供了疲劳裂纹易于扩展的途径 ；

3） 在热循环试验中，因为在再流焊过程中浸 Au 层会溶解于焊料中。界面上含 Au 量高形成的 AuSn4 层导致形成的 Pb 偏析，往往与富 Pb 区域相邻，建立在相邻于该层的局部富Pb 区的界面是不牢固的。缺陷有可能快速蔓延，沿着 AuSn4 金属化合物产生断裂。如图 2-3 所示 Au 含量高形成的 AuSn4 层导致形成的 Pb 偏析引起焊点断裂。

图 2-3 含 Au 量高形成的 AuSn4 层与富 Pb 区域相邻

4） 黑焊盘断裂之处也是由于富 P层引起的偏析，成为应力的脆弱点。

解决措施 ：

抑制焊点出现偏析的措施主要是：

1） 铅焊接时一定要预防 Pb 污染；

2） 控制好焊接温度，避免温度过热；

3） 控制好加热时间，避免时间过长。

【本文转自《一步步新技术》杂志，作者单位是上海正泰智能科技有限公司。】