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1、镀金、镀水金可焊性比较 王豫明王豫明王豫明王豫明 主要内容 一、背景一、背景 二二已知信息已知信息二二、已知信息已知信息 三、试验设备和方法三、试验设备和方法 四、试验分析四、试验分析 1.镀金层分析镀金层分析 2.电镀金和闪镀金可焊性分析电镀金和闪镀金可焊性分析 3 焊点分析焊点分析3.焊点分析焊点分析 五、总结五、总结 一、背景 1. 来料加工板，焊接完成后，来料加工板，焊接完成后， BGA元件有焊接不良现象，表元件有焊接不良现象，表 现在印制板跌落在地现在印制板跌落在地BGA掉下掉下现在印制板跌落在地现在印制板跌落在地BGA掉下掉下 来，还有部分板来，还有部分板BGA电路测试 不通过，将
2、 电路测试 不通过，将BGA返修拆除时，返修拆除时， 有些没有焊料有些没有焊料有焊料部分结有焊料部分结有些没有焊料有些没有焊料，有焊料部分结有焊料部分结 合非常疏松，用手可以将其抹 掉，要求分析原因。 合非常疏松，用手可以将其抹 掉，要求分析原因。 2. 送检样板为拆除元件后的光板， 上面还带有部分焊锡，没有上 锡 送检样板为拆除元件后的光板， 上面还带有部分焊锡，没有上 锡的的金金焊焊盘盘非常亮像镜子非常亮像镜子；的焊非常亮像镜子的焊非常亮像镜子； 3. 分析：分析： BGA焊盘，没有焊接 的镀金层； 焊盘，没有焊接 的镀金层； 4镀金镀金镀水金可焊性比较镀水金可焊性比较4. 镀金镀金、镀水
3、金可焊性比较镀水金可焊性比较 二、已知信息 1 元件：无铅元件：无铅BGA元件。元件。 2 印制板印制板 印制板表面涂层电镀印制板表面涂层电镀Ni外层镀闪金外层镀闪金镀槽为酸性溶液镀槽为酸性溶液印制板表面涂层电镀印制板表面涂层电镀Ni，外层镀闪金外层镀闪金，镀槽为酸性溶液镀槽为酸性溶液。 3 焊料焊料 ?无铅焊料焊接无铅焊料焊接，有铅焊料进行返修有铅焊料进行返修。?无铅焊料焊接无铅焊料焊接，有铅焊料进行返修有铅焊料进行返修。 4焊接曲线：无铅焊接曲线焊接曲线：无铅焊接曲线 三、试验设备和方法 1.试验设备试验设备 ?金相显微镜：金相显微镜：USFEN XZ-3系列系列 ?场发射扫描电子显微镜场
4、发射扫描电子显微镜： FEI Quanta 200 EFG；?场发射扫描电子显微镜场发射扫描电子显微镜： FEI Quanta 200 EFG； ?能谱分析仪：能谱分析仪：LEAGU 2000 ?切割机、研磨机：切割机、研磨机： Struers; ?可焊性测试仪：可焊性测试仪： 2.试验方法试验方法 ?将样件切割镶样将样件切割镶样，并将观测面进行研磨抛光并将观测面进行研磨抛光；然后然后?将样件切割镶样将样件切割镶样，并将观测面进行研磨抛光并将观测面进行研磨抛光；然后然后 通过金相显微镜先确认观测部位，最终使用电子显 微镜观测样品细节及确定合金层成分。 通过金相显微镜先确认观测部位，最终使用电子
5、显 微镜观测样品细节及确定合金层成分。 ?将测试样件夹持在可焊性测试仪中将测试样件夹持在可焊性测试仪中，45度与焊球度与焊球?将测试样件夹持在可焊性测试仪中将测试样件夹持在可焊性测试仪中，45度与焊球度与焊球 接触，测量润湿曲线。接触，测量润湿曲线。 3.试验地点试验地点:清华校内清华校内 四、试验分析：四、试验分析：1.镀金层分析镀金层分析 1.镀金层分析 （ 镀金层分析 （1）镀层厚度、均匀性分析；）镀层厚度、均匀性分析； a）印制板结构：）印制板结构： 印制板结构为电镀Ni层上面镀金；Ni层厚度为7- C61右边焊盘放大4000倍发现：镀层厚薄不均匀 C61右边焊盘剖面图，100倍 印制
6、板结构为电镀Ni层，上面镀金；Ni层厚度为7 7.5m；Au层厚度最薄为0.07-0.08m，最厚为 0.48 m，整个金层电镀厚度不均匀，有的很厚， 有的非常薄。有的非常薄。 四、试验分析：四、试验分析：1.镀金层分析镀金层分析 （2）金层成分分析）金层成分分析 b）印制板印制板金层分层以及分层以及b）印制板印制板金层分层以及分层以及 Ni出现在出现在Au外层情况外层情况 发现印制板金层有分层现 象，部分金层完全与PCB表面象，部分金层完全与PCB表面 脱离，金层很疏松。而且在镀 金层外层发现Ni金属。 四、试验分析：四、试验分析：1.镀金层分析镀金层分析 （3）印制板镀层结论分析）印制板镀
7、层结论分析 a）Ni层影响层影响 Ni层过厚达7.5m，一般电镀Ni层厚度最大5m（IPC-6012）。 对于过厚的Ni层，电镀过程中容易出现的氢脆会造成Ni层应力过 大，使镀Au层结合不好，所以出现分层现象和金层疏松现象。 b）金层厚薄影响）金层厚薄影响 印制板镀金层厚薄不均，宏观上表现为针孔，主要原因是操作工艺问 题如没有带电下槽或电流密度不够或镀液配方有问题等题，如没有带电下槽，或电流密度不够、或镀液配方有问题等。 厚度不均对焊接会造成一定的影响，厚金容易造成整个焊点的Au 脆；薄金的地方容易使Ni氧化，而且不容易焊接；在IPC6012 中规定作为焊盘的电镀的最大厚度在中规定，作为焊盘的
8、电镀Au层的最大厚度0.45m，且在IPC- 2221中规定，电镀Au层最小值0.13m，本送检样的金层厚度在 0.06-0.48m，均超过规定范围，不满足标准要求。 四、试验分析：四、试验分析：1.镀金层分析镀金层分析 c）ENIG/电镀电镀NiAu对金层厚度要求不同： 电镀NiAu之所以对金的最小厚度提出要求，且比化学NiAu最小厚度 （0 05m）要大的多，原因是化学NiAu中Ni含有P的成分，抗氧（0.05m）要大的多，原因是化学NiAu中Ni含有P的成分，抗氧 化能力强，而电镀NiAu中Ni层没有P出现，抗氧化能力弱，所以 需要一定厚度的金层。 d）A 层上表面出现层上表面出现Ni原
9、因原因d）Au层上表面出现层上表面出现Ni原因原因 Au层上表面出现Ni，有2种情况，第一电镀Au为硬金，其中掺杂一些 其他金属，如Fe、Ni、Co、或锑，硬金层可焊性较差。第二软金，层 但由于金层薄，金的孔隙率大，造成底层Ni跑到Au的最外层。这 时的Ni易受氧化，造成整个涂层可焊性降低。金的孔隙率大原因 很多，如电镀工艺方法不当，镀液配方不合适等，另外镀液中的很多，如电镀工艺方法不当，镀液配方不合适等，另外镀液中的 光亮剂如果使用时间过长、陈旧，其分解物也会造成金层孔隙率 大等。究竟是哪种情况还需更进一步查找原因。总之，无论哪种 原因造成的金层上面出现镍都使印制板表面镀层的可焊性降低原因造
10、成的金层上面出现镍，都使印制板表面镀层的可焊性降低。 四、试验分析：四、试验分析：2.电镀金和闪镀金可焊性分析电镀金和闪镀金可焊性分析 电镀闪金俗称镀水金，在我们实际生产中大量存在，各加工厂都只是感觉其可焊 性没有化学镍金、电镀镍金好焊，但没有进行实质性的可焊性测试和比较。 清华SMT实验室专门对电镀闪金和电镀镍金进行了可焊性实验，探究两者的 可焊性到底如何？ （1）电镀金和电镀闪金介绍 a)电镀定义电镀定义电镀是指借外界电流的作用电镀是指借外界电流的作用在溶液中进行电解反应在溶液中进行电解反应使使a)电镀定义电镀定义：电镀是指借外界电流的作用电镀是指借外界电流的作用，在溶液中进行电解反应在溶
11、液中进行电解反应，使使 需要涂覆的物质表面沉积上一层均匀、致密的金属或合金的过程。需要涂覆的物质表面沉积上一层均匀、致密的金属或合金的过程。 ?电镀是物理和化学的变化/结合，其反应原理是原电池反应。电镀时阳极发生 氧化反应溶解失去电子变成离子阴极发生还原反应得到电子形成原子氧化反应，溶解失去电子变成离子；阴极发生还原反应得到电子，形成原子 镀层。比如电镀铜，电解液用CuSo4做电解液，要电镀的金属接电源负极， 电源正极接纯铜，通电后，阳极发生反应，金属铜以离子状态进入镀液，并 不断向阴极迁移最后在阴极上得到电子还原为金属铜逐渐形成金属铜镀不断向阴极迁移，最后在阴极上得到电子还原为金属铜，逐渐形
12、成金属铜镀 层，其阳极发生反应式为：铜（Cu）-2电子（e-）=铜离子（Cu2+）， 阴极反应式为：铜离子（Cu2+）+2电子（e）=铜（Cu）。 四、试验分析：四、试验分析：2.电镀金和闪镀金可焊性分析电镀金和闪镀金可焊性分析 b)镍层上电镀金的原理镍层上电镀金的原理 ?金，元素符号Au，原子量197，密度19.32g/cm3，Au+的电化当量 0 1226g/Ah0.1226g/Ah。 ?电镀金的过程和镀铜一样，但电镀液发生变化，Au来源于镀液，不 是阳极。由于印制板本身材料特点，镀金溶液以弱酸性柠檬酸系列的 微氰镀液为佳（环保要求，取代氰镀液）。 其PH值在36之间，典 型印制板镀金反应
13、式为： 阳极上槽电压比较高时，阳极发生析氧反应：阳极上槽电压比较高时，阳极发生析氧反应： 2H2O-4e O2+ 4H+； 在微氰镀液中，Au以金氰络离子Au（CN）2-的形式存在，在电场作 用下，金氰络离子在阴极发生放电反应： Au（CN）2-+ e Au + 2CN-； 在阴极上同时发生析氢反应：2H+ + 2e H2 在阴极上同时发生析氢反应：2H+ + 2e H2 当镀液中有足够的金氰络离子，阴极上就会不断得到金镀层。 四、试验分析：四、试验分析：2.电镀金和闪镀金可焊性分析电镀金和闪镀金可焊性分析 )电镀金工艺过程c)电镀金工艺过程 电镀金工艺有2种，第一镀软金工艺，或板面焊盘镀金工
14、艺，另一种电镀硬金 工艺，或印制板插头镀金工艺。 ?镀软金 ?镀软金或板面焊盘镀金工艺用于印制板焊盘图形，金含量纯度高，达到24纯度，晶 粒具有柱状结构，有极好的导电性和可焊性。镀层厚度0.13-0.45m（ ENIG0 01 0 05m ）ENIG0.01-0.05m ）。 ?板面镀金层是以低应力镍或光亮镍为底层，镍层厚度3-5m，中间镍层起到金铜之 间的阻挡层作用，可以阻止金铜间的相互扩散和阻碍铜穿透到金表面。镍层同时也提 高了金镀层的硬度。高了金镀层的硬度。 ?镀硬金 ?插头镀金，也称镀硬金，镀金层中含Co、Ni、Fe、Sb等合金元素，合金元素含量 0.2%。其硬度、耐磨性都高于纯镀金镀
15、层，结构属于层状结构。用于印制板的插其硬度、耐磨性都高于纯镀金镀层，结构属于层状结构用于印制板的插 头镀金一般0.5-1.5m，或更厚。 ?插头镀金用于高稳定、高可靠点接触的连接，对镀层厚度、耐磨、孔隙率均有要求。 ?硬金外观呈金黄色，镀层厚度为0.5-1m时；耐磨性为500-1000次不露底，金层 孔隙率在2m厚度情况下为0.。 四、试验分析：四、试验分析：2.电镀金和闪镀金可焊性分析电镀金和闪镀金可焊性分析 d)电镀闪金与电镀金的区别 ?工艺流程差异 ?电镀焊盘软金工艺 图像转移后的印制板 酸性除油 微蚀 活化 镀光亮镍 镀板面软金；镀板面软金； ?电镀硬镀金工艺 图像转移后的印制板酸性除
16、油 微蚀 活化 镀低应力镍 镀金镀金耐磨金金预镀金 镀硬金（耐磨金或厚金）； ?闪电镀金工艺 图像转移后的印制板酸性除油 微蚀 活化 镀低应力镍 图像转移后的印制板酸性除油 微蚀 活化 镀低应力镍 预镀金； 四、试验分析：四、试验分析：2.电镀金和闪镀金可焊性分析电镀金和闪镀金可焊性分析 ?电镀闪金一般是电镀硬金的前道处理工序，称预镀金。预镀金的目的 是在大电流、溶液为稀金浓度情况下，首先在镍表面形成密度致密， 非常薄的金层，以便于后面镀金工序的顺利进行。镀金工序时，需要非常薄的金层，以便于后面镀金工序的顺利进行。镀金工序时，需要 更换电镀槽，在电流密度较小，金浓度较大的镀液中，继续电镀Au， 根据金层厚度，确定电镀时间，时间越长，金镀层越厚。 ?电镀闪金由于其电镀时间短电镀溶液中Au的浓度稀薄只有正常浓?电镀闪金由于其电镀时间短，电镀溶液中Au的浓度稀薄，只有正常浓
