PCB技術 - ENIG表面処理PCBパッドの2つの潜在的な問題？

スマートフォンの普及、電子製品の小型化、欧州連合の無鉛プロセスへの要求に伴い、ニッケル浸漬金（ENIG）の表面処理プロセスは他の表面処理プロセスよりも簡単で安価である。また、再現性に優れ、良好な平坦度を備えており、薄い足の部品に適しており、長期間保管され、酸化しにくい。そのため、PCB表面処理としてENIGを選択する電子製品が増えている。

そのため、多くの人がpcb板にENIG（ニッケル浸漬金）を用いて表面処理を行った際に部品の落下や溶接性の悪さを発見した場合、まず考えられる問題は通常「黒ニッケル」であり、「黒パッド」とも呼ばれる。しかし、「ブラックニッケル」や「ブラックマット」の意味を本当に理解している人は少ないようなので、本稿ではENIGの「ブラックニッケル」や「ブラックマット」についてワーキングベアの理解の観点から議論しようとした。

ENIGの「黒ニッケル」には基本的に2つの主要成分があります。「リン」と「酸化ニッケル」です。

「リン」はニッケルめっき層から来ている。その後の「金」と化学ニッケルの置換過程では、「リン」は反応しないため、金層とニッケル層の間に留まり、リンリッチを形成する。層を形成し、最終的に脆化が溶接強度に与える影響を形成する。

「ニッケル酸化物」は基本的に複雑な化学式NixOyからなる（xとyは数字）。根本的な原因はニッケル表面が浸漬金置換反応の過程で過度の酸化反応（金属ニッケルがニッケルイオンになる）を経験したことであり、これは広義の「酸化」であり、非常に大きな「金」原子（金原子半径144 pm）の不規則な堆積は粗さ、緩さ、多孔質の結晶粒配列を形成することをもたらし、これは「金」層が完全にカバーされないことを意味する。底部に留まった「ニッケル」層は、ニッケル層を空気中に暴露して酸化し続けるため、ニッケルさびは「金」層の下で徐々に形成され、最終的に溶接を阻害する。

SAC 305、SAC 3005、SnBi、SnBiAgなどのほとんどの半田は、基本的にはスズ（Sn）に基づいているため、回路基板がリフロー炉で加熱されると、SnとENIGのニッケル（Ni）がNi 3 Sn 4 IMC（一般的な化合物）を形成します。ニッケル層が酸化されると、理想的なIMCを形成することが困難になる。それがほとんど形成できなくても、IMCは間欠的で不均一である。これにより、レンガの壁やセメントでコーティングされたレンガのように溶接強度が低下します。壁とレンガの壁の間のセメントはIMCのようだ。セメントを塗っていないところがあると、壁の強度が弱くなります。これも同じ原因です。

実際、回路基板の表面処理にも「ニッケルパラジウム含浸（ENEPING）」があり、この表面処理は「黒ニッケル/黒パッド」による問題を効果的に抑制することができるが、そのコストが相対的に高いため、現在はハイエンド基板、CSPまたはBGA業界にのみ採用されている。

ENIGパッドの2つの潜在的な問題とその予防

ENIGの基本的な流れ

PCB基板ENIGの表面処理の最大の利点の1つは、基板の製造プロセスが簡単であることである。原則として、2種類の化学薬剤（ニッケルめっきと酸性金水）だけで完成できますが、もちろん、他の薬剤も必要です。ENIG表面処理プロセスは一般的に、まず銅製パッド上にニッケルめっきを行い、時間と温度を制御することによってニッケル層の厚さを制御する、その後、堆積したばかりの新鮮なニッケル活性を用いてニッケルパッドを酸性金水に浸漬した。化学置換反応は、金を溶液からパッド表面に置換し、表面のニッケルの一部を金水に溶解させる。交換された「金」は徐々にニッケル層を覆い、ニッケル層が完全に覆われるまで、交換反応は自動的に停止し、パッド表面の汚れを洗浄して完成する。この場合、めっき層は通常0.05 um（2 u”）程度かそれ以上しかないため、ENIGプロセスは非常に制御しやすく、コストは相対的に低い（ニッケルと金めっきに比べて）。

黒ニッケルの形成及びその危害

ニッケル層の品質は主にニッケルめっき液の配合と化学堆積過程における温度制御に依存し、もちろん酸性金水処理技術とも一定の関係がある。ニッケルの化学めっきプロセスは、パッド表面における次亜リン酸塩とニッケル塩の自己触媒反応によりめっき層を得ることである。めっき層は一定量の「リン（P）」を含有する。多くの研究によると、めっき層中のリン（P）は正常であり、割合は7%〜10%でなければならない。めっき液の配合物がすぐに保持できないか、温度が暴走すると、リン含有量は正常な範囲から外れる。リン含有量が低い場合、コーティングは非常に容易に形成される。リン含有量が高い場合、形成されるコーティングの硬度は顕著に増加し、これはその溶接可能性を低下させ、信頼できる溶接点の形成に深刻な影響を与える。ニッケルめっき層中のリン含有量が低く、化学置換反応による金めっき処理が適切でない場合、大量に割れた金めっき層を得ると、その後の洗浄過程で酸性金水を除去することが避けられず、空気中に暴露することになる。ニッケルめっき層の腐食が加速し、最終的にはブラックニッケル、いわゆるブラックパッドが形成される。

リンリッチ層の形成及びその危害

ENIG表面処理されたパッドであり、溶接過程において、本当にペーストと結合する合金はENIG中の「ニッケル」であり、その典型的な金属間化合物（IMC）合金はNi 3 Sn 4であり、ニッケルめっき中のリンは金属化に関与しないが、ニッケル層においてリンは一定の割合を占めて均一に分布している。これにより、ニッケルが合金化に関与すると、局所的に余分なリンが濃縮されて合金層の縁に集中し、リンリッチ層が形成される。リンリッチ層が厚すぎると、その強度は大幅に低下する。溶接点が外部応力の影響を受ける場合、まず最も弱い部分から破壊しなければならず、リンリッチ層はまず破壊される最も弱い部分である可能性がある。これらの点の信頼性は明らかに影響を受けるに違いない。

黒ニッケルリッチリン層の防除

黒ニッケルの形成及びリンリッチ層の出現は強い隠蔽性を有するが、一般的な手段では検出及び予防が困難である可能性がある。しかし、原因を理解すると、効果的な予防と制御方法を見つけることができます。

黒ニッケルの形成について、製造段階の主な目的はめっき液を保持し、プロセス温度を制御し、めっき層中のニッケルとリンの割合を最適な状態にすることである。酸性金水も良好な手入れが必要であり、腐食性が強すぎる場合は速やかに調整しなければならない。

ユーザーにとって、

1.走査電子顕微鏡（SEM）を用いて顕微鏡下でパッドの表面処理状況を観察し、主にメッキ層に亀裂があるかどうかを検査し、EDSを用いてニッケルメッキ層中のリンの割合が正常範囲内にあるかどうかを分析する、

2.次に、手動溶接のための典型的なパッドを選択し、溶接点の引張強度を測定することができます。引張強度異常を発見した場合、黒ニッケルがある可能性がある、

3.最後の方法はENIGサンプルに酸性ガス腐食試験を行うことである。ENIGサンプルの表面に粉末や変色が見られる場合は、パッド上の金コーティングが破裂していることを意味し、これは黒ニッケルが発生する可能性があることを意味する。

これらの方法の中で、最も便利で迅速な方法は第2の方法であるべきで、それは簡単で実行しやすい。これらの方法により、ENIG基板を使用する前に問題を早期に発見し、信頼性に問題のある基板アセンブリの大量生産を回避し、損失を最小限に抑えることができる。

リンリッチ層の製造において、ニッケルめっき層中のリンとニッケルの割合が適切である場合、主に溶接プロセスを制御し、溶接時間と温度を制御し、金属間化合物の厚さを最適な1〜2ミクロン（um）に制御し、厚すぎる金属間化合物（IMC）を生成すると、厚すぎるリンリッチ層は必然的に富化する。