電子産品裝聯過程可靠性熱點問題（ 四）

黑焊盤現象

定義與特徵

定 義 ：化 學 鎳 金（ENIG Ni/Au）用作 PCB 或 BGA 基材錶麵塗層後，由於 Ni 被深度腐蝕或被氧化，在焊接中齣現不潤濕或半潤濕現象或者焊接後易引起焊點斷裂，焊接麵除金後呈現灰黑色“鎳麵龜裂”形貌或者斷裂的鎳麵呈灰黑色“泥漿”樣貌，簡稱“黑盤現象”。化學鎳金（ENIG Ni/Au）鍍層結構如圖 1-1 所示、典型的黑盤現象如圖 1-2 所示。

圖 1-1 典型的 ENIG 鍍層結構

圖 1-2 黑焊盤典型特徵

特徵 ：黑焊盤現象是化學鎳金（ENIG Ni/Au）錶麵處理方式特有的失效模式。由於 Au 層的多針孔性，擋不住氧化 Ni 的上、下生長而形成大片氧化物，嚴重時形成有腐蝕斑點穿過浸金錶麵底部的富P層延伸到Ni 層的大麵積黑色焊盤。當黑盤生成後，ENIG 的錶麵的金鍍層併沒有明顯的變色，容易給人造成焊盤的錶麵處理仍然良好的假象。當齣現黑色焊盤進行焊接時，作爲可焊性保護層的Au 迅速溶解到焊料中去 , 而被腐蝕氧化瞭的 Ni 則不能與熔融焊料形成閤金化，導緻焊點可靠性嚴重下降，稍受外力卽髮生開裂。

形成機理： 

（1）在 ENIG Ni/Au工藝工程中，金液侵蝕鎳層，留下粗糙的富 P 層與釺料形成弱連接，在相當小的外力作用下導緻焊點斷裂或失效。如圖 1-3 所示黑焊盤切片，沒有 IMC 形成 ；如圖 1-4所示黑焊盤造成的典型焊點開裂。

圖 1-3 黑焊盤切片典型特徵，無 IMC 形成

圖 1-4 黑焊盤造成的典型焊點開裂

（2）當塗層過薄 Au 或者工藝過程蔘數控製不當時，就可能造成覆蓋在Ni 上的 Au 質量低劣或厚度不足，存在大量的針孔，空氣中的氧（O）穿過這些針孔直接曏底層的 Ni 侵蝕，導緻黑焊盤形成。

解決措施

預防黑焊盤的形成，主要控製PCB 製造商錶麵鍍層處理、PCBA 組裝用戶端檢測及鑒定措施。

1）製造階段主要是要做好電鍍金液的維護以及工藝溫度的控製，使鍍層中的鎳磷比例處於最佳狀態，一般鎳的比例控製在 9%~11%。痠性的金水也需要很好維護，其腐蝕性過強時應該及時調整 ；

2）對於PCBA 組裝用戶應該採取如下方法 ： 

① 首先，最好使用掃描電子顯微鏡（SEM）對焊盤的錶麵處理進行錶麵觀察，主要檢查鍍金層是否存在裂紋，併用 EDS 分析鎳鍍層中磷的比例是否在正常範圍內 ；

② 其次，選擇典型的焊盤來手工焊接併測量其焊點的拉脫強度，異常小的拉脫強度證實可能存在黑焊盤 ；

③ 最後，對 ENIG 樣品進行痠性氣體腐蝕試驗，如果髮現其錶麵長齣粉末或變色，説明焊盤上的金鍍層有龜裂，也就説明有黑盤存在的可能。

偏析效應

定義與特徵

定義 ：金屬閤金中各部分化學成分的不均勻，稱爲偏析。

特徵 ：在電子組裝焊接中，偏析是一種冶金過程髮生的缺陷，由於焊點各部分的化學成分不一緻，使其機械及物理性能減弱，影響焊點的工作性能和使用壽命。因此，在生産中必鬚防止閤金在凝固過程中髮生偏析。

形成機理

1） 焊接過程中 Pb 偏析形成機理在 SnPb 閤金釺料選擇性擴散中，其中隻有 Sn 元素擴散，Pb 根本就不擴散，這種擴散叫做選擇擴散。隻有Sn 曏母材（如 Cu）中擴散，而 Pb不擴散，殘留在界麵上而形成 Pb 偏析，如圖 2-1 所示選擇性擴散結閤界麵齣現 Pb 偏析現象。

圖 2-1 選擇性擴散結閤界麵齣現 Pb 偏析現象

齣現選擇性擴散時，當靠近Cu的Sn擴散到Cu內後，距 Cu 較遠的 Sn 原子則由於 Pb 原子的阻擋減慢瞭擴散速度。經過一定時間後在靠 IMC 的附近就會形成富 Pb層而形成 Pb 偏析，成爲應力脆相區。如圖 2-2 所示在 Cu6Sn5IMC 附近齣現 Pb 偏析。

圖 2-2 Sn 選擇性擴散之後在 IMC 附近形成富 Pb 偏析

偏析對焊點可靠性的影響

1） 偏析少的微細金屬相均勻分佈的釺料結晶組織是最佳狀態，由於偏析等原因形成的低熔點脆性相，在低應力下也會成爲破壞的起點 ；

2） 在高溫老化中，由於原子擴散速率加快， 對於有鉛焊接製程形成焊點，Sn 進入金屬間化閤物層，老化産生瞭一箇緊挨著界麵的 IMC 的連續的富 Pb 相區域，牠提供瞭疲勞裂紋易於擴展的途徑 ；

3） 在熱循環試驗中，因爲在再流焊過程中浸 Au 層會溶解於焊料中。界麵上含 Au 量高形成的 AuSn4 層導緻形成的 Pb 偏析，往往與富 Pb 區域相鄰，建立在相鄰於該層的局部富Pb 區的界麵是不牢固的。缺陷有可能快速蔓延，沿著 AuSn4 金屬化閤物産生斷裂。如圖 2-3 所示 Au 含量高形成的 AuSn4 層導緻形成的 Pb 偏析引起焊點斷裂。

圖 2-3 含 Au 量高形成的 AuSn4 層與富 Pb 區域相鄰

4） 黑焊盤斷裂之處也是由於富 P層引起的偏析，成爲應力的脆弱點。

解決措施 ：

抑製焊點齣現偏析的措施主要是：

1） 鉛焊接時一定要預防 Pb 汙染；

2） 控製好焊接溫度，避免溫度過熱；

3） 控製好加熱時間，避免時間過長。

【本文轉自《一步步新技術》雜誌，作者單位是上海正泰智能科技有限公司。】