关于沉镍金工艺在镍层产生裂痕问题的机理

关于沉镍金工艺在镍层产生裂痕问题的机理探索杨晓新一、沉镍金制程（1）正常化学反应造成的裂痕，主要存在与两个镍晶体之间的交界处，一般不超出晶体厚度的1/4就可以了，最大不能超过1/2镍厚。其机理如下：在化学沉镍金过程中，金与镍进行化学还原反应，首先金水攻咬镍层表面之结晶，一般是针对球状镍晶交界面之软弱处进行攻击，侧视方向可看出其深入程度约占晶球直径的1/4。接着金水仍沿镍晶界面攻击；俯视可见其效果已较深入，且超过球径的1/4。随着金水对界面攻击的不断扩展，开始对镍磷合金的球晶本体进行攻击，截面所见其攻入之深度虽浅，但面积却甚广。（2）过度化学反应造成的BLACKPAD、裂痕：这时裂痕比较深，而且伴随这黑焊盘的出现。其产生机理如下：在化学沉镍金过程中，金与镍进行化学还原反应，如果金水温度很高或PH比较低的情况下，金水攻击比较深广和激烈，过度活跃的反应结果导致金原子快速侵入镍界面及结晶本体。镍磷合金的球状结晶体受到金水围攻，截面可见到其四周及底部界面处俱已渗入。一旦焊垫转角处受到强力攻击，致使镍金属产生过度氧化反应，在还来不及溶成离子游走之前，即被粗大的金层所逐渐覆盖，由于反应尚未停止，镍层也继续向内部进行氧化而变质，形成表面看似正常而内部却已变黑异常了，也就形成了BLACKPAD和氧化裂痕。此现象只要选择良好的剥金液将金层去除掉后，底镍零星散布的黑垫立即一目了然无所遁形，出现的裂痕也比较多而随着时间推延会不断扩大加深。这是由于金水过猛置换反应过剧，致使镍层迅速氧化而变黑及增厚，并已超过镍晶的1/2，甚至当金层已进行覆盖之际，由于本身疏孔太多，以致于挡不住氧化镍的上下生长而形成大片黑垫。最后虽被较厚金层所盖满，但其夹层中的薄金层仍清晰可见，此时将会出现缩锡（Dewetting）的效应。二、其他原因1、PCB加工过程中，沉镍金完毕后的板件在后续加工过程中受到比较大的机械应力或比较大的操作力，导致镍晶体受到物理力的作用而产生拉裂，一般出现在界面，容易出现在比较薄而且有小管位订的板件。2、装配过程中，当板件是多单元一起进行装配的方式进行加工，装配完毕将各单元掰分出来的时候，容易出现物理性裂痕。主要发生在有吊点、邮票孔、V-CUT，而且比较薄（≤1.2mm）板件更容易发生。沉金板件金、镍层的SEM截面切片图对板件进行SEM表面扫描的图片，都显示镍表面比较正常，没有黑焊盘情况。如果沉金时候有存在黑焊盘现象，则镍层的裂缝比较深（超过镍厚1/2），而且镍层发黑。备注：1、ENIG中金层的用途只是在保护镍层免于生锈而已，并未参到焊点结构中去。金层愈厚则界面品质愈差，而焊点也愈形脆弱。BGA组件载板的电镀镍金层，全系外加电流所沉积，从无置换反应，当然也就不会有镍面发黑的道理。组装板上的QFP或BGA等焊垫若其金层太厚时，则其底镍必已遭金水之强攻，黑垫极有可能发生。2、有关SMT表面焊装的板类，不宜再继续早年通孔插装年代的“烤板政策”，认为板子要先烘烤其焊锡性才会良好，此种想法并不正确。须知愈烤则IMC愈厚而焊锡性也将愈糟。其实当年PTH板类的焊前先烤只是想要赶走孔壁破洞的吸湿而免于吹孔（BlowHole）而已3、ENIG的黑垫问题堪称自古至今无人得免，差别只在灾情大小而已。虽经众多贤者们的长期努力，但真正成因则至今未明。PCB业者避祸求福的可行办法只有减少镍槽的寿命至4-4.5MTO，并加强金槽管理与减少污染之严格把关，以求高枕无忧一劳永逸。