Công nghệ PCB - Hai vấn đề tiềm ẩn với ENIG Surface Finish PCB Pad?

Với sự phổ biến của điện thoại thông minh, thu nhỏ các thiết bị điện tử và yêu cầu của Liên minh châu Âu về quy trình không chì, quy trình xử lý bề mặt của Niken Immersion Gold (ENIG) đơn giản và rẻ hơn so với các quy trình xử lý bề mặt khác. Ngoài ra, nó có khả năng lặp lại tuyệt vời, độ phẳng tốt cho các bộ phận chân mỏng, được lưu trữ lâu dài và không dễ bị oxy hóa. Do đó, ngày càng có nhiều thiết bị điện tử chọn ENIG làm bề mặt PCB của họ.

Do đó, khi nhiều người tìm thấy các bộ phận bị rơi hoặc có khả năng hàn kém khi sử dụng ENIG (Nickel Immersion Gold) xử lý bề mặt trên bảng pcb, vấn đề đầu tiên xuất hiện thường là "niken đen", còn được gọi là "miếng đệm đen". Tuy nhiên, có vẻ như rất ít người thực sự hiểu ý nghĩa của "niken đen" hoặc "miếng đệm đen", vì vậy bài viết này cố gắng thảo luận về "niken đen" hoặc "miếng đệm đen" của ENIG từ góc độ hiểu biết của gấu làm việc.

"Niken đen" của ENIG về cơ bản có hai thành phần chính: "phốt pho" và "oxit niken".

"Phốt pho" xuất phát từ một lớp mạ niken hóa học. Trong quá trình dịch chuyển tiếp theo của "vàng" và niken hóa học, vì "phốt pho" không phản ứng, nó sẽ ở giữa các lớp vàng và niken, tạo thành phốt pho giàu. Lớp, cuối cùng hình thành ảnh hưởng giòn đối với cường độ hàn.

"Ni oxit" về cơ bản bao gồm một công thức hóa học phức tạp, NixOy (x và y là số). Nguyên nhân gốc rễ là bề mặt niken trải qua phản ứng oxy hóa quá mức (niken kim loại trở thành ion niken) trong phản ứng thay thế ngâm vàng, đó là "oxy hóa" theo nghĩa rộng, và sự lắng đọng bất thường của các nguyên tử "vàng" rất lớn (bán kính của các nguyên tử vàng 144pm) dẫn đến sự hình thành của sự sắp xếp hạt thô, lỏng lẻo và xốp, có nghĩa là lớp "vàng" không thể được bao phủ hoàn toàn. Lớp "niken" ở phía dưới cho phép lớp niken tiếp xúc với không khí để tiếp tục oxy hóa, do đó gỉ niken dần dần hình thành dưới lớp "vàng", cuối cùng cản trở hàn.

Vì hầu hết các chất hàn, chẳng hạn như SAC305, SAC3005, SnBi, SnBiAg, v.v., về cơ bản dựa trên thiếc (Sn), niken (Ni) của Sn và ENIG tạo thành Ni3Sn4 IMC (hợp chất phổ biến) khi bảng được làm nóng bằng lò hàn hồi lưu. Nếu lớp niken bị oxy hóa, sẽ khó hình thành IMC lý tưởng. Ngay cả khi nó gần như không thể hình thành, IMC là gián đoạn và không đồng đều. Điều này sẽ dẫn đến độ bền hàn thấp hơn, giống như một bức tường gạch hoặc gạch được phủ xi măng. Xi măng giữa tường và tường gạch giống như IMC. Nếu một số nơi không được phủ xi măng, sức mạnh của các bức tường trở nên mỏng manh. Đó cũng là lý do tương tự.

Trên thực tế, việc xử lý bề mặt của bảng mạch cũng có "nhúng niken palladium (ENEPIG)" có hiệu quả có thể ức chế các vấn đề được tạo ra bởi "tấm niken đen/đen", nhưng do chi phí tương đối đắt tiền, nó hiện chỉ được chấp nhận bởi các bảng cao cấp, CSP hoặc BGA ngành công nghiệp.

Hai vấn đề tiềm ẩn với miếng đệm ENIG và phòng ngừa của chúng

Quy trình cơ bản của ENIG

Một trong những lợi thế lớn nhất của xử lý bề mặt ENIG cho bảng mạch PCB là quá trình sản xuất bảng mạch đơn giản. Về nguyên tắc, chỉ có hai tác nhân hóa học (niken mạ hóa học và nước vàng có tính axit) có thể được thực hiện, và tất nhiên, các tác nhân khác là cần thiết. Quá trình xử lý bề mặt ENIG thường là mạ niken hóa học đầu tiên trên đĩa hàn đồng, bằng cách kiểm soát thời gian và nhiệt độ để kiểm soát độ dày của lớp niken; Miếng niken sau đó được ngâm trong nước vàng có tính axit bằng cách sử dụng hoạt động niken tươi vừa được lắng đọng. Phản ứng thay thế hóa học thay thế vàng từ dung dịch sang bề mặt của đĩa, và một phần niken của bề mặt được hòa tan trong nước vàng. "Vàng" được thay thế sẽ dần dần bao phủ lớp niken cho đến khi nó được bao phủ hoàn toàn và phản ứng thay thế sẽ tự động dừng lại và có thể hoàn thành sau khi rửa sạch bụi bẩn khỏi bề mặt của miếng đệm. Tại thời điểm này, lớp mạ vàng thường chỉ khoảng 0,05um (2u ") hoặc mỏng hơn, do đó quá trình ENIG rất dễ kiểm soát và chi phí tương đối thấp (so với mạ niken và vàng).

Sự hình thành niken đen và tác hại của nó

Chất lượng của lớp niken chủ yếu phụ thuộc vào công thức của chất lỏng mạ niken và kiểm soát nhiệt độ trong quá trình lắng đọng hóa học, và tất nhiên, có một số mối quan hệ với quá trình xử lý nước vàng có tính axit. Quá trình mạ niken hóa học là thu được lớp mạ bằng phản ứng tự xúc tác của hypophosphate và muối niken trên bề mặt của tấm hàn. Lớp phủ sẽ chứa một lượng "phốt pho (P)". Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng phốt pho (P) trong lớp phủ là bình thường và tỷ lệ nên dao động từ 7 đến 10%. Nếu công thức mạ chất lỏng không được duy trì ngay lập tức hoặc nhiệt độ vượt quá tầm kiểm soát, hàm lượng phốt pho sẽ lệch khỏi phạm vi bình thường. Khi hàm lượng phốt pho thấp, lớp phủ sẽ rất dễ hình thành. Khi hàm lượng phốt pho cao, độ cứng của lớp phủ được hình thành sẽ tăng lên đáng kể, điều này sẽ làm giảm khả năng hàn của nó và ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự hình thành các mối hàn đáng tin cậy. Nếu hàm lượng phốt pho trong lớp mạ niken thấp, phản ứng thay thế hóa học không được xử lý đúng cách, và nếu thu được lớp mạ vàng nứt lớn, chắc chắn sẽ khó loại bỏ nước vàng có tính axit trong quá trình làm sạch tiếp theo, dẫn đến tiếp xúc với không khí. Sự ăn mòn của lớp mạ niken tăng tốc và cuối cùng tạo ra niken đen, được gọi là tấm hàn đen.

Sự hình thành các lớp phốt pho giàu và tác hại của chúng

ENIG xử lý bề mặt pad, trong quá trình hàn, hợp kim thực sự kết hợp với dán là "niken" trong ENIG, hợp kim Intermetallic Compound (IMC) điển hình của nó là Ni3Sn4, phốt pho trong mạ niken không tham gia vào quá trình kim loại hóa, nhưng trong lớp niken, phốt pho chiếm một tỷ lệ nhất định và phân bố đều. Bằng cách này, sau khi niken tham gia vào quá trình hợp kim hóa, phốt pho dư thừa cục bộ được làm giàu và tập trung ở rìa của lớp hợp kim, tạo thành một lớp phốt pho giàu. Nếu lớp phốt pho giàu quá dày, sức mạnh của nó sẽ giảm đáng kể. Khi các mối hàn bị ảnh hưởng bởi các ứng suất bên ngoài, trước tiên phải bắt đầu phá hủy từ liên kết yếu nhất và lớp phốt pho giàu có thể là liên kết yếu nhất bị phá hủy đầu tiên. Độ tin cậy của những điểm này chắc chắn sẽ bị ảnh hưởng đáng kể.

Kiểm soát lớp giàu phốt pho niken đen

Mặc dù sự hình thành niken đen và sự xuất hiện của các lớp phốt pho giàu có có khả năng che giấu mạnh mẽ, nhưng nó có thể khó phát hiện và ngăn chặn bằng các phương tiện chung. Nhưng khi chúng ta hiểu nguyên nhân, chúng ta có thể tìm ra những cách hiệu quả để ngăn chặn và kiểm soát.

Đối với sự hình thành niken đen, mục đích chính của giai đoạn sản xuất là duy trì mạ chất lỏng và kiểm soát nhiệt độ quá trình để tỷ lệ niken và phốt pho trong lớp mạ ở trạng thái tối ưu. Nước vàng có tính axit cũng cần được bảo dưỡng tốt, khi tính ăn mòn quá mạnh nên kịp thời điều chỉnh.

Đối với người dùng,

1. Cách tốt nhất là sử dụng kính quét điện (SEM) để xem xử lý bề mặt của miếng đệm dưới kính hiển vi, chủ yếu kiểm tra lớp mạ vàng để tìm vết nứt và sử dụng EDS để phân tích xem tỷ lệ phốt pho trong lớp mạ niken có nằm trong phạm vi bình thường hay không;

2. Thứ hai, bạn có thể chọn một miếng đệm điển hình để hàn bằng tay và đo cường độ đẩy và kéo của mối hàn. Nickel đen có thể có mặt khi tìm thấy sức mạnh đẩy và kéo bất thường;

3. Phương pháp cuối cùng là thử nghiệm ăn mòn khí axit trên mẫu ENIG. Nếu bột hoặc sự đổi màu được tìm thấy trên bề mặt của mẫu ENIG, điều đó có nghĩa là lớp phủ vàng trên đĩa bị vỡ, có nghĩa là có khả năng niken đen xuất hiện.

Trong số các phương pháp này, phương pháp thuận tiện và nhanh nhất nên là phương pháp thứ hai, đơn giản và dễ thực hiện. Với các phương pháp này, các vấn đề có thể được phát hiện sớm trước khi sử dụng bảng ENIG và tránh sản xuất số lượng lớn các thành phần bảng có vấn đề về độ tin cậy, do đó giảm thiểu tổn thất.

Để sản xuất các lớp giàu phốt pho, khi tỷ lệ phốt pho và niken trong lớp mạ niken phù hợp, chủ yếu là kiểm soát quá trình hàn, kiểm soát thời gian và nhiệt độ hàn và kiểm soát độ dày của các hợp chất liên kim loại ở mức tối ưu 1-2 micron (um), khi tạo ra các hợp chất liên kim loại quá dày (IMC), lớp giàu phốt pho quá dày nhất thiết phải được làm giàu.