ENIG兼具可焊接、可触通、可打线,与可散热等四种功能于一身,一向是各种密集组装板类的宠儿,并早已成为其它表面处理所无法取代的地位。曾几何时,当笔记型计算机之主机板与后起的电话手机板上,其BGA或CSP焊垫既多又小之际,ENIG即逐渐发生焊锡性的欠佳,焊点强度(Joint Strength)不足,焊点后续可靠度低落,甚至焊点裂开分离后,还会出现黑色镍垫(Black Pad)的种种的灾难,均令生产者又恨又爱,无词以对有苦难言。
图10.左为ENIG焊后最常发现黑垫的灾区,集中在BGA组件腹底组装板的球垫上,手机板上CSP的微垫更加糟糕。右为“能谱仪”ESD分析黑垫中发现正常镍面的含磷量为Wt4.6%,而黑带区却高达9.8wt%。
美国业者(多半为下游组装者)为了从根本上通盘改善ENIG的质量起见,著名的ITRI(互连技术研究协会)曾在1997.8月组成了一个项目研究改善的联盟(Consortium),共有22家相关业者参与(PCB及PCBA业者与药水供货商),希望能在特殊考试板(Test Vehicle)的小心模拟下,找出故障失效(Failure)的真正原因。然而5年来虽经众人不断努力,非但所得有限而且评比上也乏善可陈。经数度IPC Show之Proceedings以及其它期刊中,已发表20多篇的大型论文中,实在看不到其真正原因与彻底解决的办法,细读之余仍然是一头雾水混沌难清。唯一可行的笨方法,就是缩短化镍与浸金等槽液的使用期限,至于其等减寿的幅度如何,则端视其产品的位阶档次而定。
笔记型计算机主板所采用的ENIG,三四年前许多台湾有名的大厂,均发现过后续偶发性的焊点强度不足,焊后一两个月甚至更短的时间内,即发现少许焊点裂开及镍面发黑的Black Pad问题。其惨遭滑铁卢割地赔款之痛苦历史,至今余悸犹存。瘟疫所及敢说无人无之。某些天真到近乎无知的下游客户与外行的PCB业者,起初竟以为黑膜是碳成份的累积所致,因此还劳师动众认真检讨不已,其之大胆程度实在不敢恭维。
其实此黑膜是氧化镍(NixOy)之复杂组成,根本原因是化镍表面在进行浸金置换反应之际,其镍面受到过度氧化反应(金属原子溶成金属离子其原子价升高者,称为广义的氧化),加以体积甚大金原子的不规则沉积,与其粗糙晶粒之稀松多孔,形成底镍续经“化学电池效应”(Galvanic Effect亦称贾凡尼效应)的强力促动,而不断进行氧化老化,以致在金面底下产生未能溶走的“镍锈”所继续累积而成。前述的笨办法(例如化镍槽由原先的6个MTO缩短到目前的4个MTO),也只能减轻其正常置换以外的不良之症状而已,完全无法彻底根除黑垫的偶发与存在。
这种越做越怕而提早换槽的主要目的,就是在缩减槽液中的H3PO4累积量,维持其镀层中的正常含磷量(7-9%),使保有较好的焊锡性与抗氧化性(与抗蚀性并不完全相同),期能减轻被高温金水过度攻击的程度,甚至延缓后续Galvanic效应的酝酿发酵。说穿了这也只是一种无可奈何之下勉强可行的做法罢了。如今不但手机板上各种大小焊垫几乎全靠它,甚至连著名CPU用的覆晶(Flip Chip)式封装载板,其各独立覆垫上也不得不采用ENIG做为焊锡“突块”(Solder Bump)的着落点。据说其化镍槽液的寿命更已缩短到了不足3个MTO,金水中的镍污染含量亦应拉低到500ppm以下,甚至还将纯置换式的镀金层,不惜成本的更改配方为半置换半还原式的复合金层(如上村的商品TSB-71),以减少后续黑垫灾难的发生。
图12.左为CPU用高精密FC载板之球脚底面,中为该覆晶区长有焊锡突块的正面,右为检查ENIG 球脚承垫,经植球后所具焊点强度之推球剪力试验(Ball Shear Test)。是检验ENIG高阶用途的有力工具。
由于各种深入研究之报告极多而无法一一详述,故只能慎选其内容完善者,按作者及所属公司的不同而简述于后,读者有兴趣欲进一步追究时,可直接阅读大量之原文数据。