ENIG的黑盘与电镀镍金的金脆
一、ENIG的优点
1、焊盘平整度好
2、可焊性好
3、接触电阻小
4、可以进行Wire-bonding,可替代电镀镍金
5、高湿环境中不氧化,可作散热表面
二、ENIG的制作
流程
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清洗——微蚀——活化——化学镀镍——化学浸金——水洗
三、黑盘失效机理
1、化学镀镍层的表面形态
表面越平坦越有利于减少黑盘的发生;反之,表面不平坦容易造成金对镍晶界的过度攻击,形成黑盘。为了保证表面平整度,一般要求镍层的厚度至少在160uin(0.16mil)以上。
2、镍层中的P含量过多或过少
业界一般认为P含量在8-10wt%时,有利于防止黑盘的发生,而P含量过低,镍层的抗腐蚀能力变差,浸金过程中,金对镍层的攻击更强,从而容易造成黑盘的发生。
然而如果镍层中的P含量过高,在焊接的时候,化学镍金焊盘最表面的金层迅速溶解到锡中,锡和下面的镍层形成了镍锡金属间化合物,从而形成焊点连接,此后IMC不断增大,而镍层中的P不参与这个形成IMC的反应,因此,随着过程的进行,在镍与IMC界面处便会形成P的富集层,这个富P层和镍锡IMC的结合力很弱,会严重影响焊点的强度,成为断裂面。
四、金脆的定义
镀金表面的焊盘,在焊接完成后,表面的金会溶解到焊料中并形成许多金属间的IMC 化合物。由于这些含金化合物颗粒非常脆,焊点也表现出一定的脆性,业界称为“金脆”。
一般认为焊点中的金含量超过3wt%时会引起典型的金脆缺陷。
五、金含量的计算
计算金含量之前先要作几个假设:
(1)焊点体积和原始焊膏体积的比例是一定能够的,如50%或55%,对BGA焊球
可以认为其体积无变化。
(2)引脚或焊球上接触焊料的金镀层全部融解到焊料中
(3)引脚、焊盘或者substrate上镀层厚度一致(可测量多次,取平均值)
根据以上假设,焊点中金的含量百分比可以用以下
方法
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计算出:
(1)首先测量计算出引脚、焊盘或者substrate浸在焊料中的面积;
(2)测量出引脚、焊盘等镀层中金的厚度;
(3)金的体积等与引脚浸锡面积和金镀层厚度的乘积;
(4)根据上面计算的数据加上金、焊锡的密度,金在焊料中的重量百分比就可以算
出来了。
六、镀金焊点的回流过程
电镀镍金中镍的厚度是5-10um,金的厚度是0.1-1.0um。回流时,焊料处于融融状态,这段时间,镍金上的金迅速融解到熔融的焊料中,将镍层暴露出来,暴露出来的镍在焊料界面上生成Ni3Sn4。
AuSn4可能首先在界面上生成,然后脱落下掉到焊料中去。完全的金层(最初1um)在少于10秒回流时间内转换为AuSn4,新生成的AuSn4在少于30秒内破碎到焊料中去。具体可分为以下四个阶段:
(1)焊料部分溶解,金和锡开始反应;
(2)金和锡完全反应,生成AuSn2,AuSn4等;
(3)AuSn4从焊盘上脱离出去
(4)AuSn4在焊料中分解和析出
从焊料到焊盘观察到的是:焊料——AuSn4——AuSn2——Au——镍——铜。
SEM下观测导AnSn4是不规则的棒状,AuSn3则是颗粒状。
在上述的第4阶段,焊球完全熔化,绝大部分AnSn4离开界面,将镍暴露给锡,一开始,一些AnSn4晶粒仍连在界面上,随着回流温度的进一步增加,所有AuSn4离开界面, Ni3Sn4生长的更加厚。
七、金脆的两种形式
第一种——传统的金脆使焊球变脆。
可肯达尔空洞是由于铜-金-锡金属键化合物和铜引脚之间相互扩散形成的。当金含量较多(3)wt%)时,可肯达尔空洞在界面形成,这回导致失效模式从铜J型引脚的朔性变形到为焊料和铜引脚之间拉伸强度的明显变弱。
第二种——恶化界面
焊点形成长时间后,界面上重新聚聚析出AuSn4,是界面变脆,界面变成金-镍-锡——Ni3Sn4——Ni,裂纹主要发生在AuSn4和Ni3Sn4界面上发生。
八、金脆的解决方法
1、使用超薄的金镀层;
2、焊料中添加Ni,改变合金中的IMC成分;
3、焊料中添加Cu
4、进行褪金处理。
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