化镍浸金焊接黑垫之探究与改善（下篇）

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1、天马行空官方博客：http://t.qq.com/tmxk_docin；QQ:1318241189；QQ群：175569632化鎳浸金焊接黑墊之探究與改善（下篇） 三、各種重要研究報告之內容摘要3.2美國ITRI（互連技術研究協會）針對ENIG的專案研究（略）3.2.4美國ITRI化鎳浸金專案研究的結論（2001年3月) 1.假設載板與組裝之焊墊與錫球之品質，彼此都相同而暫不加以考慮時，則其銲點強度與可靠度將直接與IMC本身的強度有關。由於噴錫與OSP製程在焊接中所形成的IMC為Cu6Sn5，且又未遭其它

2、不純金屬（如金、銀等）的熔入而污染，故所表現出的強度自然最好。2.至於浸銀或浸錫兩種製程仍屬資淺，極薄的浸銀層（2-4m）在焊接過程中將迅速溶入銲錫而消失，與ENIG的金層所表現出來的行為完全相同，只不過是ENIG的IMC是Ni3Sn4，而浸銀的IMC卻是Cu6Sn5反倒較強而已。然而Ag的不耐老化性，使其在空氣中極易變質，與之ENIG的耐污耐久相比，則又不如遠甚。至於浸錫層則於焊點中會迅速形成Cu6Sn5的IMC，即使無焊接處的浸錫層也會逐漸被底銅所吸收成為IMC，使得外觀上也由先前的亮白色而老化轉為灰

3、白色。1.由前可知ENIG所得Ni3Sn4先天不足之IMC使然，即使強度再好也不會超過噴錫與OSP。想要自黑墊的陰影中全身而退也幾乎不可能。在嚴加管理下並以縮短槽液壽命的方式來提高良率，雖非睿智之舉，但亦屬無可奈何之中的免強出招。3.3另篇黑墊論文佳著BlackPad：ENIGwithThickGoldandIMCFormationDuringSolderingandRework（IPC2001論文集S10-1-1）　　本文甚長共有18頁且含46張照片，作者Sungovsky及Romansky均任職於加拿

4、大之Celestica公司（CEM廠商類），與前ENIG專案負責人Houghton皆屬同一公司。本文亦從模擬實際板的焊接及拉脫著手，而仔細觀察黑墊的成因。並對ENIG的層次結構深入探討，更值得的是尚就故障銲點與脫落元件提出了挽救的辦法，是其他文獻所少見。現將全文要點整理如下：1.綜合前人研究認為BGA的圓墊與QFP的長墊，其等銲點的脫裂與黑墊的發生，是一種難以捉摸的偶發性缺點（SporadicDepect）。發生的可能機理（Mechanism）係於置換反應中，當一個體形較小的鎳原子（氧化）溶走的同時，會有

5、兩個體形甚大的金原子（還原）沈積，在晶格成長時會造成全面推擠性的差排（Misalignment），因而使得鎳與金的界面中出現很多的空隙疏孔，甚至藏有藥水等，容易會造成鎳面的繼續鈍化及氧化。圖38.左為已有黑墊的銲點用牙籤即可推裂，摧枯拉朽莫此為甚右為移走零件腳後的墊面黑垢，災情嚴重下場淒慘。1.2.置換反應中金水過度活躍又猛攻含磷較多（9%以上）的鎳層，以致在鎳金界面中形成的各種黑墊的惡果（即前文3.1中Biunno的發現）。金層不宜太厚，否則對強度不但無益反而有害(拜託！老師傅們請千萬別再自作聰明自以為

6、是了！)，即使未能全數溶入焊錫之中時，還會積存而以AuSn4參與黑墊的犯罪組織。3.化鎳藥水管理不善，綠漆硬化不足，以致有機物溶入甚多，使得黑墊中不但為NixOy的主成份外，亦發現碳的含量頗高。4.曾用XRF量測實驗板上QFP與BGA等總共239個焊墊，以及通孔環面的鎳厚與金厚，發現鎳厚的變化很大（75in-224in），金厚的落差也不少（2.2in-7.5in）。通常鎳薄處金層會較厚，尤其在各焊墊轉側壁的直角處更是異常。5.化鎳層是呈片狀(Laminar)生長的瘤狀結晶（NoduleStructure）

7、，其瘤徑大小約900-5000nm，分別有微結晶與非結晶兩種組織，與添加劑有直接關係。其添加劑多集中在瘤體的邊界處，使得該接壤區域的自由能較高，以致耐蝕性變得較差，因而十分容易受到金水的攻擊。嚴重時甚至發生鎳與金之間出現多層交互堆積的現象，進而妨礙IMC的生成並導致銲點強度的脆弱不堪。圖39.左為化鎳的片層狀與瘤狀組織，右為浸金後金原子取代了自由能較高的鎳地盤，而成為交互積層的怪異現象。1.2.焊接的瞬間金層會以1.33m/秒（比常溫快30-40倍）的溶解速度溜進銲錫之中，而鎳的溶速則很慢，僅0.002m

8、/秒而已。通常銲錫對金的安全溶解度約為3-4%的原子數比率，但鎳之可溶原子數卻更低到10-5%，相較之下金溶入的速度對鎳而言應在數萬倍以上。故知在焊接的瞬間，薄薄的金層（2-4in）早已消失而進入銲錫的主體去（通常原子數之含量約為0.03-0.04%之間，一旦超過0.3%時銲點會變脆），使得鎳與錫會在較慢速度下形成IMC而焊牢。3.在鎳表面形成銲點的IMC是以Ni3Sn4為主體，而且在錫鎳界面之間還會緩慢的長厚。一般焊接中銅與