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一文了解黑色焊盘现象

2019-03-18 09:37
可靠性杂坛
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一、黑盘现象

最近几年,在将BGA与ENIG Ni(P)/Au涂层结合起来使用时,出现了两种失效模式。(1)第一种失效模式是不润湿或半润湿,这种现象称为“黑色焊盘”(简称“黑盘”现象)。(2)第二种失效模式是与机械应力相关的层间开裂。ENIG Ni(P)/Au工艺中出现氧化Ni现象如图1所示。

黑色焊盘现象

图1

对PCBA上失效焊点拆下CSP后其焊盘全为黑盘,如图2所示。严重时还将出现如图3所示的黑泥状结构。

黑色焊盘现象

图2

黑色焊盘现象

图3

二、黑盘现象的形成机理

1.置换型无电解镀(简称置换镀)“黑盘”现象通常均发生在ENIG Ni/Au涂层中,目前在业界获得ENIG Ni/Au涂层的方法普遍采用“置换”工艺。这正是导致“黑盘”现象发生的根源。所谓“置换法”ENIG Ni/Au的电化过程是:把底层金属离子氧化溶解和溶液中的金属离子交换作为金属被析出的机理,叫做置换镀,也有人把置换镀称为浸渍镀。这种镀层反应中的电子供给是:M→Mn++ne-上述的析出反应是不可逆的。例如,在氰化金溶液中浸入Ni片时,在Ni片表面被覆盖一层Au膜,其反应式为Ni→Ni2++2e-(氧化反应)Au2++2e-→Au(还原反应)由于不断地进行析出,露出的底层面积不断变小,由于底层金属的溶解反应不能充分进行,故反应速度变慢。所以要得到厚的镀层是不可能的,而且析出的镀膜是多针孔性的。

2.黑盘的形成机理在ENIG Ni(P)/Au工艺中,当Au离子镀覆成为金层时,镀液中的Au离子吸收Ni表面的电子,Ni离子被释放到镀液中。由于某些微结构特性,如晶粒边界和电化学等原因,局部交换并不是始终在进行。即可将Au沉积到一个位置或区域,而Ni离子从不同位置或区域释放出来。这种工艺的可能结果是Ni被侵蚀,留下粗糙的富P层与钎料形成弱连接,如图4所示。受影响的焊点不会与焊盘铜层形成牢固的机械键合。因此,在相当小的外力作用下,焊点就会失效。在焊盘上所能看到的只有很少的钎料,甚至没有钎料。而在焊盘上大部裸露着从灰色到黑色的平整的Ni表面,“黑色焊盘”就是源自这个位置。SEM分析说明类似于“不清晰裂缝”的特殊的Ni状结构,如图5所示。EDX分析说明P和Ni含量高,而Sn含量低。从抛光的剖面图可以观察到腐蚀标记和富P层。

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