电路板焊点(二)电路板无铅銲料的含磷分析
工作环境对的某些功能如按键或开关等,其外露金属皮膜区域的可靠度,将会对产品带来某些程度的影响。由于此等区域并无绿漆或其它封胶类所保护,因而必须靠其本身能力以抵抗所处的腐蚀环境,例如高湿或污染性气体等。板面各种互连点遭到腐蚀后可能会导致断路或短路,对整体组装成品而言,电路板最终皮膜已成爲重要的课题。就长期可靠度而言,该等皮膜还可做爲金属相互扩散的屏障层,以保护底铜垫在高温中不致氧化。焊接后铜面所生成的介金属(IMC) ,对于介面间所出现热胀系数(CTE)之不匹配(Mismatchs ),也可扮演一种缓衝的角色,而不致造成硅晶片的拉裂。但此种IMC其本身最好也不要具有脆性(Brittleness)而使得銲点强度会更好。
一、介面磷量增多的分析
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利用锡银铜无铅銲料分别在中磷(8.0 wt%)与高磷(11.2 wt%)的ENIG表面上进行焊接,然后再深入观察其IMC的生长情形。下图9是在微切片截面所标示的红线,是用以说明SEM所扫描的路径,右图即爲红色扫描上所测到磷含量变化的图示。
大发快盈500 图1、从中磷化镍层銲点微切片截面上见到SEM放大35000倍的画面
图2、从高磷化镍层銲点微切片截面上见到SEM放大35000倍的画面
并从下表1整理的数据可见到,在化镍本层与IMC之间,其某些暗色区域即表磷含量已增多的富磷区,以及焊接前后磷量变化的比较。
表1、焊接前后化镍层IMC介面间其磷量变化的比较
此等介面某些局部区间其磷量增多之机制有二 ,即:
(一)、当磷镍合金层浸入金水进置换反应时,其中纯镍部份在快速溶入金水而黄金沉积之际,致使剩下无法溶解的磷量,于其介面间也就相对的增多了 。
但当高磷的化镍表面浸入金水时,由于其抗蚀性较强,使得受到金水的攻击而产生的置换反应也爲之变慢,以至所沉金之层厚度也较抗蚀性不强的中磷镍来的较薄。
此现象可从相同操作条件之中磷镍层(8 wt%))表面金厚0.08μm ,与高磷镍层(11.2 wt%)的金厚0.05μm的对比,即可完全明瞭。
从前文化镍浸金(ENIG)皮膜的测试中所整理的资料中可看出,一般常规条件下其金层厚度的范围是0.05 — 0.08μm,至于其磷量的增多则尚不到1%。然而在晶界附近易遭攻击区,其磷量的增多却可达4%以上。故知耐蚀性较强的化镍层,其浸金反应后介面局部"磷量增多"的趋势也将爲之减缓。
(二)、介面磷量下游再次之增多是发生在焊接反应中,也就是当高温液锡溶化纯镍而形IMC之际,镍走了所留下的磷量自然就会相对增多。此时若化镍层的抗蚀性较强者,其介面局部磷量增多的趋势也将变小。
由此可得知11.2 wt%的高磷化镍层,其焊后介面磷量增多的现象也就不是很明显。人们当然可以解释成系抗蚀性变强之故,但事实上除了化学反应的行爲之外,高磷化镍层还具有表面较平坦的物理特质,从SEM的放大画面上可清楚见到高磷镍面要比中磷者更爲平坦,于是在焊接反应中所提供的接触面积也就较小,进而令纯镍溶走的趋势不免爲之减弱。此种物理现象的解释更可以从TC试验后,IMC增肥增厚之结构方面再度获得印证。
此刻可再回到推球试验其"推球与伸长"的曲线差异,从其曲线良性平缓下降与不良脆性陡直下降的比较看来, 也必然是出自IMC结构差异所致。高磷者焊后介面不一定就会出现磷量增多的现象。以11.2 wt%高磷镍层的焊接而言,其介面"磷量增多"的数字,尚不致对可靠度造成影响。反之中磷8 .0wt%者其"推球与伸长"试验在推力方面,的确出现很大的不良变化。
二、打线后抗拉脱强度的比较
(一)、打铝线的强度
此种拉力试验总共做了50次。曾就ENIG中5μm厚的化镍层,所得含磷量的变化颇大约在4.2 — 11 .6wt%之间, 其中之中磷镍层〈4.2 , 7.7 , 8.0 wt%〉其金层厚度尚可保持在0.08μm;但高磷镍层〔10.1与11.6 wt%〕者所得金层厚度却只有0.05μm。
原装的ENIG试样或155℃高温老化4小时后的试样,打线后3个标淮差的平均拉力均可达到9.5cN(±0.75 cN),且不受磷含量的影响。此种数値早已超过MIL-STD-883C中2011法所要求及格标淮的4cN 。
图3、电路板强度测试打铝线的强度
(二)、打金线的强度
此种拉力试验总共做了60次,所採用之两类试样分别是电镀镍金,与高磷化镍浸金(ENIG),是刻意用电镀镍金当做ENIG的老化或原装试样对比用的参照试样。两者打线前的金面都经过电浆清洁。ENIG原装试样中的含磷量爲11.2 wt%。电镀镍金所得的平均拉力爲13.9 cN ,而未经电浆清洁的高磷ENIG层其平均拉力竟达14.1 cN。至于未经电浆清洁的电镀镍金表面,其平均打线拉力却只有13.3 cN而已。
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经过电浆清洁的电镀镍金表面,其所测得"3个标淮差的平均値"(X-3S,已可函盖各种拉力测试値的99.73%在内)爲10. 01 cN,而高磷ENIG未经电浆清洁之表面, 其平均拉力亦达9.9 cN,但未清洁的电镀镍金表面其拉力却只有8.8 cN的低値而已。
图4、电路板强度测试打金线的强度
三、结论
(一)、 当高磷镍的金层爲0.05μm时,其打线能力竟可等于中磷者的0.08μm金层。原因之一是高磷镍面的金层系属緻密而疏孔较少的黄金层,还因高磷镍层之抗蚀能力较好,以致不易出现氧化之故。
(二)、—旦ENIG中的镍层与金层的厚度起伏不定时,即表可能会出现脆裂的行爲。其中尤以镍层变薄与金层增厚处,其脆裂性最爲明显,但在高磷ENIG的皮膜中,即使镍层厚度不足处也不致存在脆裂的后患。
(三)、经过电路板焊接与可累积应力的热循环试验后,高磷的ENIG皮膜均不易发生脆裂。且经1000次TC后也未对高磷銲点的强度产生不利。高磷所测得"推球与延伸长度"的数据也相当稳定,但中磷者经过1000TC后所得到的数据,比起原装者已显得相当分散。
(四)、将电路板焊接与TC后脆裂的试样再经微切片的观察分析,发现中磷ENIG的推球开裂位置都是集中在IMC的附近,但高磷者的开裂则多半发生在球体的本身,并还可看到两者的IMC并不相同。
(五)、对高磷ENIG而言,其浸金反应与焊接反应后,在介面所造成"磷量增多"的不良效应,比起中磷ENIG来约可减少30%。此种发现与先前所认定之"介面总磷量"并非关键因素;反倒是主镍层中与"磷量多"区,其两者磷量的差异才是关键的说法,也得以相互吻合。
(六)、 至于打铝线而言,其强度既未受镍层中磷量的不同的影响,也未受原装ENIG或155℃轫化4小时的不同而有所差异。而且高磷ENIG打金线的能力也非常好,其金层厚度却只有电镀镍金层的十分之一而已。此种发现将来还会再深入加以硏究。
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由上述可以量测到的各项数据可知,高磷ENIG的好处甚多。爲了良好的銲点完整性,以及打铝线或打金线的优异效果起见,所使用的高磷ENIG ,其化镍厚度应到达5.5μm左右,其含磷量范围亦需维持在9.5-13 wt%之间,而金层之厚度则只需0.05 μm即可。