黑焊盘有关问题探讨及失效案例分析

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1、黑焊盘有关问题探讨及失效案例分析 本报编辑：韩双露时间:2010-1-2817:32:23来源:电子制造商情马丽利  赛宝实验室分析中心摘要：本文从化学镍金的原理出发，探讨了黑焊盘的形成机理、影响因素及控制措施，并结合实际案例详细介绍了有关黑焊盘失效分析的思路和方法。关键词：化学镍金黑焊盘失效分析DiscussionforBlackPad//and//FailureAnalysisforRelatedExampleTheNo.5ResearchInstituteofMII,NationalKeyLaboratoryofScience//and/

2、/TechnologyonReliabilityPhysics//and//ApplicationofElectricalComponent,Guangzhou510610,ChinaAbstract:Inthispaper,basedontheprocessofENIG,themechanismofblackpadformationhasbeenpresentedindetailed.Thereason//and//preventionhavealsobeendiscussed.Withthefailureexamplerelatedblac

3、kpad,thefailureanalysismethodhasbeenintroduced。KeyWords:ENIGBlackPadFailureAnalysis1引言化学镍金（ElectrolessNickelImmersionGold，ENIG）作为PCB和BGA封装基板焊盘的表面镀层，目的是防止Cu基板的氧化并得到可焊接的表面。ENIG除了可以提供良好的焊接性能和接触界面之外，其成本相对与电镀镍金来说也非常有优势[1]，但是随之产生的众所周知的黑焊盘（BlackPad）现象却是一个令众多制造商和用户头疼的问题。本文就化学镍金的原理、黑

4、焊盘的形成机理及影响因素进行探讨，并通过对PCB黑焊盘失效实例的分析，详细介绍其分析思路及分析方法。2黑焊盘形成机理及影响因素探讨2.1化学镍金的原理化学镀镍层实际上是镍-磷（Ni-P）合金层。镀液中的次磷酸根离子（P为P2+）在镀液中主要作为还原剂，但是P2+也可以发生歧化反应，自我还原成单质P，并和Ni原子一起沉积，同时有氢气（H2）放出[2]。从Ni-P二元相图来看，P在Ni中的溶解度非常小，其共晶点位置（势能最低）存在Ni和Ni3P两个稳定固相，其中Ni3P相更加稳定。化学镀金是一种置换反应，在镀液中，Au离子从基板上的Ni原子中得到电

5、子，结果是Ni原子变成离子溶解到镀液中，Au离子变成原子沉积到基板上。2Au（CN）2— + Ni →2Au+Ni2+ +4CN—[3]当Ni层表面完全被Au原子覆盖时，即镀液和Ni原子不接触时，反应即停止。Au层的厚度通常在0.05-0.1mm之间，其对镍面具有良好的保护作用，而且具备很好的接触导通性能。2.2黑焊盘的形成机理实际上，在镀金时，由于Ni原子半径比Au的小，因此在Au原子排列沉积在Ni层上时，其表面晶粒就会呈现粗糙、稀松、多孔的形貌形成众多空隙，而镀液就会透过这些空隙继续和Au层下的Ni原子反应，使Ni原子继续发生氧化，而未溶走

6、的Ni离子就被困在Au层下面，形成了氧化镍（NixOy）。当镍层被过度氧化侵蚀时，就形成了所谓的黑焊盘。焊接时，薄薄的Au层很快扩散到焊料中，露出已过度氧化、低可焊性的Ni层表面，势必使得Ni与焊料之间难以形成均匀、连续的金属间化合物（IMC），影响焊点界面结合强度，并可能引发沿焊点/镀层结合面开裂[4]，严重的可导致表面润湿不良或镍面发黑，俗称“黑镍”。2.3黑焊盘形成的影响因素及控制措施镀金时Ni层的氧化几乎是不可避免的，只是程度有差别而已。影响黑焊盘形成的因素有很多，且错综复杂。大量研究和实际情况表明，镀层中P的含量是整个镀层质量的关键。

7、当P含量在7%-10%之间时，Ni层的质量比较好。前面已经提到，Ni层中有两个稳定相Ni和Ni3P，如果P含量偏高，表明Ni层中的Ni3P相的比例多，而Ni3P势能比Ni更低，更加稳定，不容易发生反应。因此P含量越多，Ni层的抗蚀能力越强，但是焊接时，直接与焊料形成IMC的是Ni，Ni相占的比例少，就会影响焊盘Ni层的润湿力。相反，如果Ni层中P含量偏低，表明Ni相占的比例相对多，那么整个Ni层的势能也偏高，就相对不稳定，容易发生反应，但是润湿力也相对好。目前控制Ni层质量主要分为两方面，第一，就是化学镀镍阶段，目前采取的方法是调节镀液的PH值

8、和温度，使P含量维持在正常比例范围之内，Ni晶体大小均匀，排列致密。因为PH值升高，Ni的沉积速率加快，P含量就偏低，反之，随着PH值的降低，P含量就