X射線測厚儀廠家詳解金層不溶、縮錫產生原因

   化鎳浸金（ENIG）作為PCB表面處理之一被廣泛應用，化鎳浸金是指在焊盤銅表面上化學鍍鎳，然后在鎳層表面置換上一層金層的表面處理工藝，其具有良好的平整性、焊接性、接觸電阻小、存儲時間長等特點，但是ENIG在實際裝聯過程中存在多種焊接不良現象，其中金層不溶、縮錫就是常見問題之一。 

    金層不溶、縮錫產生原因分析：

    化鎳浸金工藝表面鍍金，具有優異的可焊性及抗氧化性，一般情況下不會出現潤濕不良問題，但實際裝聯時還是會出現金層不溶，縮錫問題。金層不溶、縮錫主要產生的原因來自兩個方向，一方面來自金層表面污染，另一方面來自金層本身問題。 
    為了進一步闡述結合實際案例，通過光學顯微鏡、X射線測厚儀、SEM+EDS、金相切片及AES（俄歇電子能譜）等分析手段來進行論證。 

1、金層污染
 
某消費類電子產品SMT回流后出現一定比例的金層不溶、縮錫，失效表現為焊料全部吸附到器件可焊端，焊點的接觸角大于90度，用烙鐵手工執錫無法上錫。 
①外觀檢查 
使用電子光學顯微鏡對失效部位進行觀察，金層表面并未發現可見污染物，具體觀測結果如下： 
②ENIG鍍層厚度檢測 
使用X射線測厚儀對金層不溶焊盤鍍層厚度進行測量，數據見下表，從表數據來看，Au與Ni厚度均滿足規定要求。 
③ENIG鍍層結構及成分分析 
1）剝金前檢測 
對縮錫焊盤表面進行SEM+EDS檢測，發現不上錫的Au層表面含有較高的C、O元素含量，會對焊接造成較大影響。 
1）剝金后檢測 
對縮錫部剝金后觀察，P含量符合規范要求，Ni面結晶正常，未發現Ni面腐蝕現象，后對其做切片確認，也未發現Ni層存在刺入腐蝕現象，形貌良好無異常。 
1>Ni層形貌及P含量 
2>Ni層切片形貌 
④縮錫位清洗后分析 
縮錫失效處C、O含量偏高，初步分析與有機物污染有關，對其用酒精進行清洗，發現C、O含量明顯降低。 
⑤實驗驗證 
對金層不溶、縮錫板焊點用酒精清洗后做漂錫實驗，漂錫后所有的之前縮錫焊點都上錫飽滿，滿足IPC-J-STD-003之判定標準。 
⑥小結
縮錫焊盤主要是因為ENIG鍍層Au面受到有機污染，金面上存有機污染會造成金面表面自由能降低，這樣會使潤濕性下降，終造成金層不溶、縮錫產生。由于EDS只能確定污染元素，但不能定義具體的有機污染物，若要確認，需使用FTIR（紅外線光譜分儀）、TOF-SIMS（飛行時間二次離子質譜）等方法來確定。 
為了避免金層有機污染物問題再發，建議如下： 
1）特別監控ENIG板從化金到器件上件的各個工序，確保金面不受外界異常元素污染。 
2）注意ENIG板的存儲環境，避免在酸、氯、硫的環境下存放。 
3）錫的潤濕性與板面清潔有很大關系，可在上件前對板做必要的清潔會對焊接有所幫助。 

2、金層本身問題 
通過金層污染分析方法后未能發現有機污染或腐蝕特征時，需要將目光聚焦到金層本身是否存在異常，這是一種非典型的分析思路，借助以下案例來說明。 
①Au/Ni互溶 
某電子產品出現金層不溶、縮錫問題，使用SEM+EDS分析后數據結果顯示，焊盤縮錫區域的化學成分無明顯異常，未發現外來元素。剝離金層后Ni面結晶正常，P含量滿足規范，無Ni面腐蝕現象。后對縮錫部焊盤清洗后焊料仍無法潤濕。 
②互溶的原因
Au/Ni互溶其本質就是Ni擴散到了Au層，產生了Au/Ni互溶產物，表面物化性能發生變化，表面能、反應驅動力均改變，難以溶于焊料，終的結果就是金層不溶，縮錫。
Ni擴散的主要來源：
1) 鍍金工藝控制不當，金層中夾雜鎳離子。
2) 鎳層原子擴散，由于金原子尺寸遠大于鎳原子，提供了鎳擴散的路徑，而具體的擴散速度與擴散時間、溫度相關。
3) 金層厚度過薄，未達到IPC規范要求，這樣會對Ni擴散提供了方便。
③小結
金層本身存在異常并非常見，但在我們做失效分析時需要考慮到，以免被固有的思維所約束，找不到打開問題的鑰匙。
為了防止問題出現，改善建議如下：
1) 鍍金工藝的控制，避免金層中夾雜鎳離子。
2) 嚴格管控好金層厚度要求，要符合IPC的規定，要把金厚的檢查做為重點檢查項目進行確認。
3) 避免不必要的烘烤動作，因為過多，長時間的烘烤固然可以降低PCB本身的含水率，降低爆板、分層的風險，但其弊端卻被忽視，加速鎳的擴散、氧化，甚至會出現PCB變形的風險等，會對板級裝聯造成嚴重影響。