黑盘形成的影响因素及控制措施

对于镀金时Ni层的氧化，到目前为止仍未找到一种合理的解决办法，在化学镀过程中Ni层或多或少均存在一定程度的硬化。影响黑盘形成的因素比较复杂，大量研究和实际情况发现，镀层中P的含量是整个镀层质量的关键因素。当P含量（质量分数）介于7%～10%之间时，Ni镀层的质量较好，Ni层中存在两个稳定相Ni和Ni₃P，如果是P含量偏高，则Ni层中Ni₃P相的比例多，而Ni₃P势能比Ni更低、更稳定，所以后期过程中，不易发生反应。因此P含量越多，Ni层的抗蚀能力就越强，但在焊接时，直接与钎料形成IMC的是Ni，由于Ni相占的比例少，会影响焊盘Ni层的润湿力。反之如果Ni层中P含量偏低，则表明Ni相占的比例相对多，那整个Ni层的势能也会偏高，就相对不稳定，极易发生反应，但是润湿力也相对较好。

目前控制Ni层的质量主要分为两个方面，首先，就是化学镀镍阶段，采用的方法是调节镀液的pH值及温度，使P含量维持在正常的比例范围之内，Ni晶体大小均匀、排列致密。由于pH值升高，Ni的沉积速率增加，P含量偏低，相反，随pH值的降低，P含量就升高。当前普遍采用的方法就是更换化镍槽。目的就在于减少镀液中H₃PO₃的含量，以控制pH值，使Ni层中的P含量维持正常，保持良好的润湿能力和抗氧化能力。其次，是化学镀金阶段，这个阶段相对复杂。主要工艺参数包括Au的沉积速率与沉积时间，镀液温度及添加剂。其中，镀液中添加剂的种类以及用量是很关键的，其作用一方面是促使Ni离子溶解，防止Ni离子变成Ni盐沉积附着，另一方面是加速Ni原子氧化。

如某PCB经回流焊之后，部分焊点出现焊接不良，产生了反润湿的现象，且焊盘发黑，所用的钎料为Sn96.5Ag3.0Cu0.5（SAC305）。图6-13所示为失效焊点外观照片。焊点出现反润湿现象，一方面可能由于钎料的润湿性不良，可利用焊接性测试仪进行钎料的焊接性评价排除，另一方面可能是PCB焊盘的问题。对不良焊点作扫描电镜（SEM）分析，观察到焊点周围有较多的不导电物质，进一步作X射线能谱仪（EDS）分析，表明不导电物质是助焊剂，采用异丙醇将助焊剂清洗之后再对失效焊点进行SEM分析。因焊接后，焊盘表面Au层已扩散走，只剩下Ni层。露出的Ni层已出现腐蚀，且具有明显的黑盘特征，如图6-14所示。

图6-13 失效焊点外观

为确认Ni层腐蚀的程度，将反润湿的焊盘位置进行切片处理，发现侧向腐蚀最深处已经超出了Ni层厚度的一半，约有2.8mm，且焊盘的边缘位置腐蚀程度较深，如图6-15所示。这种腐蚀必然会给焊接时Ni和Sn的合金化造成不良影响。用SEM分析同一块失效PCB上未焊接的焊盘的Ni层，同样发现Ni层也有明显腐蚀，但腐蚀程度并没有失效位置深，见图6-16，这与部分焊点失效的现象一致。

焊点产生反润湿现象的主要原因是焊盘的镍层已发生氧化腐蚀，直接影响了钎料与镍之间的合金化。随着ENIG的广泛应用，黑盘的问题已经是个亟待解决的首要问题。以下三个基本现象可证明焊点的失效与“黑盘”现象有关：

1）暴露在破碎Ni表面的腐蚀裂纹（可通过IMC观察）。

2）由抛光的横截面观察到的腐蚀以及腐蚀穿透镍层的深度。

3）相对Ni体积中P含量而言，在腐蚀处出现富P现象。富P现象可有力证实腐蚀发生，因Ni在腐蚀的地方被耗尽而使得P的比例增加。

“黑盘”现象易发生在BGA或者QFP器件的四个角。

图6-14 反润湿焊盘镍层的微观形貌(www.xing528.com)

图6-15 反润湿焊盘的横截面微观形貌

a）靠近焊盘中间位置 b）焊盘边缘位置

图6-16 相同失效PCB上未焊接好焊盘的镍层表面形貌与横截面形貌

短期解决措施（在工艺允许范围内减小热偏移）：

1）通过控制EN层P的质量分数，一般为7%～8%，以实现良好的耐蚀性。

2）通过控制EN层厚度，一般为5μm。若EN层较薄，钎料和EN层间的反应会导致Kirkendall孔洞产生，从而使界面强度降低，影响焊点的可靠性。

3）减小镀槽内的金属污染。

4）控制镀层参数，调整镀槽内pH值、化学成分以及温度，pH值一般为3～4。

5）在沉淀Au层时保证镀槽内的最小限度腐蚀的中性金浴槽。

6）加入一些添加剂析出在晶粒边界，改变晶粒度和孔隙来防止过度氧化。