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不同条件下化学镍钯金的可焊性研究

放大字体  缩小字体发布日期:2018-12-22  浏览次数:168
核心提示:可焊性是印制电路板组装产品极重要的性能之一。文章讨论了化学镍钯金(ENEPIG)的可焊性,首先对化学镍金(ENIG)和化学镍钯金的特点进行了对比,然后通过实验对影响产品焊接的可能因素进行了验证,得出钯层 的有效控制能解决化学镍钯金的可焊性问题。

摘要 可焊性是印制电路板组装产品极重要的性能之一。文章讨论了化学镍钯金(ENEPIG)的可焊性,首先对化学镍金(ENIG)和化学镍钯金的特点进行了对比,然后通过实验对影响产品焊接的可能因素进行了验证,得出钯层 的有效控制能解决化学镍钯金的可焊性问题。

关键词 化学镍金;化学镍钯金;焊锡性

中图分类号:TN41 文献标识码:A 文章编号:1009-0096 (2013) 08-0032-03

印制电路板发展过程中,表面处理的方式也从 单一化向多元化发展。传统的化学镍金(Electroless Nickel Immersion Gold)在焊接的过程中容易出现黑镍 (镍腐蚀)现象,进而引发连接的可靠性问题[1]。因 此,业内又推出了一种新的表面处理工艺,化学镍钯 金(Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold)来解决这一技术难题,ENEPIG由于引入化学 钯,阻挡镍与浸金溶液的接触,可有效控制黑镍现象,而ENIG因其镀层平整度高、接触电阻低和助焊 剂兼容性好,也被用于微电子芯片与电路板的封装 技术中[2]。但研究发现,化学镍钯金的可焊性要低于 化学镍金和电镀金,本文对化金与镍钯金进行了对 比,通过实验对产品影响焊接的可能因素进行了验 证,来解决ENEPIG的可焊性问题。

从表1的对比中可以看出,化学镍钯金 (ENEPIG)工艺除兼有化学镍金(ENIG)工艺的可 焊性优异、镀层平整度高、打线键合能力强、和生 产成本低等因素外,相对于ENIG表面处理工艺,引 入化学镀钯会作为阻挡层,一方面不会有铜迁移至 金层的问题出现而引起可焊性差,另一方面在合金 界面上不会有高磷层的出现,能有效防止镍腐蚀现 象,ENEPIG的优势便显现出来,因此ENEPIG被认 为是全能型表面处理工艺。

2焊接的影响因素探究

无论是ENIG还是ENEPIG,焊接时都是在锡与 镍之间形成IMC的过程,为了能够进行焊接,焊接 材料首先需要加热成液态,然后熔融的焊料才会润 湿基底金属的表面。针对ENEPIG,焊接时,金与钯 完全溶解在焊料中,而钯的熔点温度为1 825°C,金的熔点温度1 337 °C,钯在焊料中的扩散速率小于金 在焊料中的扩散速率,所以钯层厚度和金层厚度等 可能会影响到可焊性,另外,金属镀层的表面粗糙 度也会影响到焊锡的扩散状况。基于此分析,设计 如下表2。

各项目的测试结果如表3。

2.1镀层厚度

(1) A/B/C与D/E/F/G的差异在于前处理不同。

(2) B/E的Pd厚采用0.08 pm参数,实际测试值 在0.06 |^m ~ 0.08 |^m之间,B高于E。

(3) C/F/G采用正常参数0.12 pm加工,Pd厚度 实测值在0.09 pm ~ 0.12 pm左右。

(4) G的Au厚比正常高出一倍,但A/D采用无Pd 程序加工,Au厚也较正常高出一倍。

2.2金面粗糙度

(1) MEC超粗化比硫酸双氧水前处理的样品金 面粗糙度大。

(2) 金面粗糙度的尺z与尺a分布整体趋势一致。 2.3金面张力测试

的熔点温度1 337 °C,钯在焊料中的扩散速率小于金 在焊料中的扩散速率,所以钯层厚度和金层厚度等 可能会影响到可焊性,另外,金属镀层的表面粗糙 度也会影响到焊锡的扩散状况。基于此分析,设计 如下表2。

2.1镀层厚度

(1) A/B/C与D/E/F/G的差异在于前处理不同。

(2) B/E的Pd厚采用0.08 μm参数,实际测试值 在0.06 μm ~ 0.08 μm之间,B高于E。

(3) C/F/G采用正常参数0.12 μm加工,Pd厚度 实测值在0.09 μm ~ 0.12 μm左右。

(4) G的Au厚比正常高出一倍,但A/D采用无Pd 程序加工,Au厚也较正常高出一倍。

2.2金面粗糙度

(1) MEC超粗化比硫酸双氧水前处理的样品金 面粗糙度大。

(2) 金面粗糙度的Rz与Ra分布整体趋势一致。 2.3金面张力测试

(1) 钯厚均值小于0.08 μm的样品表面张力达到 或超过3.6×10-4 N,反之未达到3.6×10-4 N。

(2) 钯厚越大,表面张力越小,钯厚越小,表 面张力越大。

2.4润湿性

采用将同一规格的锡球放置在焊盘中央,经过 回流焊后,测量润湿的面积来评定润湿性的差异, 面积越大,润湿性越好。

(1)无钯样品(即类似于ENIG)的锡完全扩 散,并且润湿面积达到2 200 μm2以上,润湿性最 好;0.08 μm钯厚样品润湿性次之,而0.12 μm钯厚的润湿面积在1300 μm2 ~ 1500 μm2之间,润湿

性较差。

(2)钯层越薄,焊锡时扩散越快,反之越慢。 2.5镍腐蚀观察

对样品剥金后,用扫描电子显微镜(SEM)分 析,确认是否有線腐蚀现象。

(1) 有钯样品(ENEPIG)晶胞致密,无微观裂 缝,晶格结构良好,镍层形貌正常,说明钯层可以 有效的作为阻挡层,防止金缸药水对镍的进一步攻 击。

(2) 无钯样品(ENIG)表观有微裂纹,有严重 的镍腐蚀现象,由于没有钯层的保护,金沉积的过 程中,同时发生镍置换金的反应,容易存在一定的 镍腐蚀。

2.6打线测试(图1

(2)无钯产品的锡球扩散性优于有钯产品,但 易导致镍腐蚀、打线拉力低等异常。若钯层较薄, 金与钯置换的同时也与镍置换,使钯层底部悬空, 与镍层产生间隙,出现钯层与镍层剥离的风险;若 钯层较厚,在焊料中的扩散速率小于金在焊料中的 扩散速率,焊接时易出现气泡,因此钯层须有一定 的厚度控制。
 
(3)金层厚度对锡球扩散性无明显影响。高温 焊接的瞬间,金层将极速溶入液锡中,形成IMC而快 速脱离镍层,迅速扩散进入焊锡中,故知焊点完全 是生长在镍层表面,金层只是保证镍层不被氧化而 己,如果金层太厚,也会发生金脆现象。
 
通过以上研究可以看出,化学镍钯金各镀层的 厚度都有着重要的意义,综合考虑锡球扩散性、打 线能力和镍腐蚀等各方面控制,ENEPIG产品各镀层 厚度必须有一定范围的控制,而目前很多客户只给 出下限要求,而无上限管控,这很可能导致产品出 现失效现象,因此厂内需要对各镀层的厚度控制要 有合理的上下限控制范围。
 
4结语
 
本文对镍钯金与化金进行了对比,通过实验对 影响产品焊接的可能因素进行了验证,得出钯层的 有效控制能解决ENEPIG的可焊性问题。随着今后电 子设备产品的高密度化和高性能化的发展,镍钯金 镀层厚度的有效控制,不仅缓和现在的原材料成本 增加,更重要的是会加强连接的可靠性。胃 参考文献
 
[1] 林金堵,吴梅珠.化学镍/化学钯/浸金的表面涂 覆层的可焊性和可靠性[J].印制电路信息,2011, 5:43-48.
 
[2] 杨章荣,王彩霞,沙雷.化学镍层耐腐蚀影响因素 研究[J].印制电路信息,2010(S1):15-23.
 
[3] 纪成光,陈立宇,袁继旺,王燕梅.化学镍钯金 表面处理工艺研究[J].电子工艺技术,2011, 32(2):90-94.
 
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