SMT焊接中的镀金层：隐藏的焊接秘诀

一、前言

     由于金元素具有多用途的特性，使得在电子产业的许多地方皆可见到金元素被采用，例如在作为抗腐蚀(etchresist)、电路联接的表面处理(contact surface finish)、保护层(protective coating)、提供适合打金线表面处理(wire bonded surface finish)、芯片贴附表面处理(die attach surface finish)以及提供良好的焊接性质的表面涂覆(solderable coating)等等。当金被利用在焊接处理时有些重点需要特别的留意，不当的使用将会对焊接制程造成相当大的冲击，且也会对焊锡联结的性质造成重大的影响。

    从前镀金层沉积的平均厚度是较所应用的情况来得厚，在大部份的例子中，镀金层沉积的厚度是与所应用的场合及电镀液有密切的关系；在较硬、较细晶粒镀层的应用上就需要选用较应的共沉积(codeposited)成份，添加晶粒细化剂(grain-refining additives)与亮光剂(brightener)。在一般的场合中，镀层都具有平坦、光亮与较薄等的特性(≦30μ-inches)。在其它如在芯片贴附区域(die attach)与打金线(wire bonding)所需就的镀金层可能就不需要再额外的添加其它的添加物，因为在以上的应用下镀金层被要求要较粗糙且不需具备光泽，这么一来镀金层的厚度就可能较为丰富了(≧30μ-inches)。

    在大部份的应用上，镀金层的厚度会依后续所要进行的制程而改变，厚的镀金层也不只是应用在特定的用途，有时也提供作后续的锡回焊制程；但若焊接在厚度为30μ-inches到100μ-inches范围的镀金层时，将会导致焊接不良或焊接后质地变脆，这些情况的发生使得在镀金层上焊接的接点可靠性降低。在这些不友善的特以及可靠性不佳所造成成本的提高使得镀金处理的市场萎缩，直到最近研究报告以及相关的影响被广泛的讨论后才见好转。    

二、金的复原

由于在过去的几年中，金元素在电子产业大量的被采用，所遭遇到的问题也逐一的浮上台面，特别是在焊锡与镀金处理的电路表面焊接所产生的问题最为被业界重视。在这篇文章中，我们将针对以下的主题做探讨：

●在镀金层上作焊接的制程

●制程与两金属间的联结的产生。

●使接点的可靠性提高，乃至于使其寿命增长的制程所需考虑的因素。

三、镀金层的厚度

在分析焊锡接点发生破坏后的金相结构可发现，若镀金层的厚度对焊锡接点的可靠性有直接的关联，所幸电路板上所使用的镀金层厚度大部份都是在5μ-inches到15μ-inches的范围内。对于镀金层而言，有效的控制镀层沉积，使产生较薄的镀层厚度，并减少所存在的空孔是格外的重要，其理由如下：

◎能够充份的完成焊接，且成本也较低廉。    

◎焊接后焊锡接点也不易产生脆化的现象。

◎能够降低空孔生成的机率。

◎能够减少在回焊过程中锡(Tin)的消耗量。

四、焊接的保护

镀金层主要的用途是为了有效的保护底下的镍层，由于焊接实际是发生在镀金层底下的镍层上，由此可知焊接的动作是否完成是要视其与镀金层底下的镍层熔合附着的情形而定，由于焊锡要与底层的镍层联接，所以在焊接时必须将金层熔解，正因为这样，一个优良且适合进行焊接的镀金层必须要是较薄且须是紧密而低孔性(low-porosity)的。

当薄的镀金层被熔解后，接着焊锡就会恨很快的与镍层完成联结，所以镍层必须要具备有极佳的活性(active)与焊接能力(solderable)，倘若镍层未能具备上述的特性，则镀金层的存在将变的没有意义。在过去，由于我们对电镀制程的误解，经常会忽略了其中的重要性(详情请参阅”镀金制程的执行”该部份)。

对于镍(Nickel)而言，虽然它也可与焊锡相熔接，但其反应进行的速度仍然不及铜(Copper)，所以在进行焊锡焊接的过程中还是需要更多的能量以完成熔接的工作，这一点对于我们在进一步了解焊锡膏(solder paste)在回焊过程中的反应是相当重要的，简单的说就是在回焊的过程中，设法延长焊锡熔解成液态的时间，如此可使镍与锡(Tin)达到充分的反应。    

对于焊接反应的完成与否，取决于在镍与锡的界面是否已充分的反应，并进而形成连续的共界合金层(continuous intermetallic compound，IMC)，此一镍-锡共界合金反应层(Nickel-Tin IMC reaction layer)形成的目的除了使元件完成与外界系统间的电性联接外，同时也使元件在组装系统中具备足够的强度以对抗环境的破坏。

五、镀金制程的执行

让我们再从另一个角度来看焊接的问题。若要使镍层与焊锡顺利的达成良好的熔接，就要在镍层沉积的过程中特别注意其不纯物的浓度(impurity level)，一般而言，镍层中的不纯物浓度是越低越好，即使是使用磷镍无电解沉积(phosphorous nickel electroless deposits)在不纯物浓度的控制依然是相当要紧的；因为不论是不纯物的共沉积作用(codeposition)或是吸藏(occlusion)现象在两不同成份金属的联结反应中，将会加速某一界面的生成，同时也会干扰两成份间反应的进行，这种干扰物会减少反应进行过程中可供反应物沉积的面积，如此一来将使两成份间的联结强度减弱，并将直接对其使用寿命造成冲击。

因此，电镀溶液必须以适当的方式予以保存与过滤，以减少共沉积作用(codeposition)以及污染物的吸藏(occlusion)。在含磷的磷镍无电(phosphorous-nickel electroless)的例子中，使溶液中的含磷量保持在一个最低的范围内是相当重要的，因为若在镍沉积的过程中，溶液的含磷量超过一定比例将会妨碍镍层的沉积，如此将使沉积层变的虚弱，在焊接的过程中，”破坏”就很容易在这个地方发生。    

六、脆化

由焊接脆化的观点上来看，尽量控制镀金层沉积的厚度在焊接上是相当重要的，因为薄的镀金层将可有效的减低金-锡界面合金成份(Gold-Tin IMC)的形厚度，在许多例子中都可清楚的看到在反应界面的合金浓度是相当大的，以较厚的镀金层(＞20μ-inches)而言，在回焊过程中所产生的金-锡共界合金成份并不会均匀的分散在整个焊锡接点的结构中，而是会使两种成份形成一种分离的状态，在分离状态下金的浓度较大区域的焊锡接点处面临反复的热偏移(cyclic thermal excursions)后的完整性将大为降低。对于焊锡接点而言，在两平板匹配的界面(flat mating surfaces)的部分对焊锡接点的可靠性最为敏感，存在有这样的界面的区域包括电路板上表面粘着焊垫与芯片型元件(chip component)或海鸥脚造型接脚的元件(gull-wing leaded component)间的界面。

在较大的边缘部份，若镀金层的厚度过厚(＞40μ-inches)时，将对焊接的可靠性造成相当大的冲击，经我们沿着镀金的表面观察焊接边缘部份反应后焊锡的浓度，金-锡共界合金成份主要是在表面粘着与电路板上的镀金焊垫会形成完全饱和的联结(complete saturation of confined connection)，这对于焊锡接点的可靠性有着相当大的影响；在过去的例子中可发现焊锡接点上发生破坏最多的情况是在金-锡的共界合金层上，由于金锡共界合金成份(gold-tin IMC)易发生脆化，进而产生裂纹，在整个破坏的过程中，裂纹会沿着表面粘着元件(surface-mount component)与焊垫间的界面成长，严重的情况会对接点处产生破断破坏，由此可知，通常在产生裂纹的区域的共通点就是其组装焊锡厚度相当的薄，这有可能是因为元件放置(placement)过程中焊锡因不当的插件处置而散失。    

有的时候厂商为了使元件在进行回焊之前就与电路板焊垫间达到良好的附着，而加大元件插件机的置件压力，希望能藉由加大置件压力使元件能深埋在焊锡膏之中，这样的做法却使原本刷印在电路板焊垫上的锡膏因置件压力过大而脱离焊垫，这样的情况将使得在这个区域中的焊锡在回焊过程中流失，最后导致在焊接反应中轻易的在焊接的表面产生金-锡的饱和共界合金反应(saturated IMC reaction)；由此可知，焊锡厚度对于进行焊接的特定区域而言是相当重要的。附带一提的是，在焊锡与金层表面进行反应的同时，焊锡中的锡(Tin)会很容易被消耗，消耗过多的锡的焊锡会在焊接共界合金层(IMC layer)与镀金层以及凝固的焊锡的这两个界面间冷却凝固，在材料的性质上，焊接共界合金层(IMC layer)的质地既硬且脆，反观在两界面附着的是一质地松软软、且含铅量较丰富的区域(lead-rich zone)，这一微细的结构在面临反复的热偏移(cyclic thermal excursions)时是相当脆弱的。    

七、空孔

空孔(void)形成的原因是一直存在着多种推测，一种比较特别的论点是认为空孔的产生是由于固体(在此系为镀金表层)中的气体在加热的过程中发生膨胀，而导致金属内部产生空孔，在这个论点是与镀金表层有关的；除此之外，其它常被提到造成空孔的原因有收缩(shrinkage)以及残留的助焊剂未能适时排除所导致。通常空孔都是在焊锡与镀金层间进行焊接反应的过程中，有机材料被大量的吸收所致。在此，吸藏作用在金属沉积的任何一个步骤会发生。所以若想要有效的降低空孔的生成，就要谨慎的选择添加物，选择的重点可放在添加物的晶粒是否经过精练(grain refiners)、沾湿作用剂(wetting agents)与光亮剂(brighteners)，否则在金属沉积的过程中，有机的污染物(organic contaminants)将会大量的吸藏在金属层中。而以上这些添加物能够在焊锡熔解以及其与镀金层产生反应的过程中挥发(volatilize)或消散。

对于焊锡而言，光亮电镀的沉积(bright-plated deposit)就象是排出气体自由度的变因(the source of varying degrees of outgassing)，会导致空孔在焊接联结处产生，这类空孔的形成是值得我们再进一步作探讨的；当空孔散出并移动到平板匹配表面(flat mating surfaces)的区域时，又由于在这个区域中的空孔的量相当的少，且也空孔不容易移动，所以无法藉由与其它空孔合并以增加浮力，所以很难逃脱，存在的空孔将使整个结构变的较为脆弱，因为裂纹将很容易从空孔存在的部位产生并随之扩散开来，最后将造成焊锡联结处发生破断，一般来说，越薄的镀金层将可限制有机材料的吸收与减少空孔发生的机率。    

八、镍的消耗

回焊之后，在厚的镀金层有许多界面合金成份的反应发生，相对的在反应发生处一定有许多锡(Tin)被消耗掉，由于在焊锡中的锡被消耗掉，使得在焊锡中铅(lead)变成占大部份，如此将使得含铅较丰富的区域质地变脆；界面合金成份的浓度(Concentration)与空孔(Void)对于焊接的可靠性的伤害是相当大的，由于可想象在面对镀金`表面处理时要格外的注意。

九、考量的重点

以镀金层作为表面处理的焊垫在焊锡焊接制程的运用上，有以下几个要特别注意的重点：

◎镀金层的厚度必须控制在5μ-inches到15μ-inches的范围内。

◎确认在镀金层下的镍层(Nickel)为可焊接的。若所使用的镍中含磷(Phosphorous-Nickel)，则含磷量必须要被控制在最低的剂量。一般而言，镍的纯度要越高越好。

◎在回焊的过程中，焊锡熔解成液相的时间要长，如此才可使焊锡与镍充分的反应，以期达到完全结合。

◎在电镀金的过程中，要确保电镀溶液的质量，其它如溶液的过滤、碳化处理以及制程控制也要同时配合。    

十、结论

由过去的经验中得知，二次反应经常会对材料的结构造成破坏性的伤害；在金-锡焊接接点的破坏机制上也经常可以看到类似的现象，在金-锡焊接点的二次反应中，在金-锡界面会产生金-锡界面合金层，这样的结果将使得焊锡接点的强度大受影响，进而缩短系统的使用年限，由此可知，在镀金表面处理的焊垫上进行焊锡焊接是一种相当复杂的学问。在面对业者不断的要求要提高可靠性的前提下，再进一步的了解镀金层结构并严格的控制制程为不二法门，在良好的制程环境下将可有效的降低破坏发生的机会。