無鉛錫膏的應用_電路板鍍鎳層對焊接的影響
無鉛錫膏的應用: 電路板鍍鎳層對焊接的影響
微電子領域的發展趨勢需要高性能和高密度電子元件。然而金屬間化合物(IMC)會對高密度電子元件的可靠性造成影響。電路板的表面處理對IMC的形成有一定影響。目前市場已經研究了幾種電路板表面處理方法以改善焊接效果，包括有機保焊劑(OSP)，化鎳浸金（ENIG），化學鎳鈀金(ENEPIG)等。其中ENIG和ENEPIG表面處理的電路板受到廣泛應用。對于ENIG和ENEPIG，不同鎳層厚度會對焊接效果產生影響。本文簡單介紹鎳層對焊接的影響。
電路板鎳層對可焊性影響
業界普遍發現ENIG工藝存在出現黑盤的風險。黑盤效應的形成原因是因為鎳原子球形小于金原子，由于原子大小不一致，鍍金后晶粒粗糙。并且鍍金液會滲透到鎳層并將其腐蝕，形成的黑色氧化鎳可焊性差。因此稱作黑盤效應。由于鍍鎳層的氧化，使用錫膏焊接時難以形成冶金連接，形成的焊點易脫落。
為了解決黑盤問題，業界又推出了ENEPIG表面處理技術。該技術在鎳層上鍍上了鈀，有效地避免了鎳層被腐蝕。除了黑盤問題，鎳層對IMC生長也有影響。ENEPIG的鎳層厚度還需要進一步優化。為了研究ENEPIG鎳層厚度的影響，Kim等使用SAC305錫膏在ENEPIG處理的電路板上完成焊接。他們采用了不同厚度的超薄鎳層ENEPIG處理的電路板進行分析。
圖1. SAC305錫膏在ENEPIG電路板上焊接示意圖。(a)鎳層4-6μm；(b)鎳層0.3-1μm。
鎳層厚度對IMC的影響
由圖2可以看到，所有的鎳層厚度都會有(Cu,Ni)6Sn5形成。在焊接時，鎳層上的Au和Pd會熔化到SAC305錫膏中，隨后焊料中的Sn和Cu會擴散到鎳層并發生反應生成(Cu,Ni)6Sn5。此外，當鎳層較薄時，(Cu,Ni)6Sn5的生長速度更快。
圖2. SAC305錫膏在ENEPIG電路板上焊接效果。(a)鎳層0.3μm；(b)鎳層0.5μm; (c)鎳層0.7μm; (d)鎳層1μm。
當老化1000小時后，鎳層厚度為0.3μm的樣品(Cu,Ni)6Sn5層厚度最大，遠遠大于厚度為1μm的情況。此外，如果鎳層厚度小，(Cu,Ni)6Sn5還會在大量擴展到界面底部。當鎳層厚度增加到0.7μm以上，界面底部的(Cu,Ni)6Sn5變得很少。這是因為富P鎳層在老化過程中充當Sn和Cu擴散的屏障，減緩了IMC生長。此外，鎳層厚度越小，生成的IMC總厚度會越大。
圖3. SAC305錫膏焊點在125℃老化1000小時。
鎳層對焊接機械強度的影響
當鎳層的厚度為0.3μm時，老化后的焊接強度最差，且焊點失效概率遠大于鎳層厚度為0.7μm和1μm的樣品。鎳層較薄會帶來更多的IMC，IMC的富集會導致焊點脆性增加，老化后容易出現脆性斷裂。同時脆性斷裂還和老化溫度有關，對于鎳層厚度較小的焊點，IMC生長對高溫更敏感，脆性斷裂增速更快。
圖4. 鎳層厚度和機械強度關系。(a)125℃老化；(b)150℃老化。
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參考文獻
Kim, J., Jung, S.B. & Yoon, J.W. (2019). “Optimal Ni(P) thickness and reliability evaluation of thin-Au/Pd(P)/Ni(P) surface-finish with Sn-3.0Ag-0.5Cu solder joints”. Journal of Alloys and Compounds, vol.805, pp.1013-1024.
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