X射线测厚仪厂家详解金层不溶、缩锡产生原因

   化镍浸金（ENIG）作为PCB表面处理之一被广泛应用，化镍浸金是指在焊盘铜表面上化学镀镍，然后在镍层表面置换上一层金层的表面处理工艺，其具有良好的平整性、焊接性、接触电阻小、存储时间长等特点，但是ENIG在实际装联过程中存在多种焊接不良现象，其中金层不溶、缩锡就是常见问题之一。 

    金层不溶、缩锡产生原因分析：

    化镍浸金工艺表面镀金，具有优异的可焊性及抗氧化性，一般情况下不会出现润湿不良问题，但实际装联时还是会出现金层不溶，缩锡问题。金层不溶、缩锡主要产生的原因来自两个方向，一方面来自金层表面污染，另一方面来自金层本身问题。 
    为了进一步阐述结合实际案例，通过光学显微镜、X射线测厚仪、SEM+EDS、金相切片及AES（俄歇电子能谱）等分析手段来进行论证。 

1、金层污染
 
某消费类电子产品SMT回流后出现一定比例的金层不溶、缩锡，失效表现为焊料全部吸附到器件可焊端，焊点的接触角大于90度，用烙铁手工执锡无法上锡。 
①外观检查 
使用电子光学显微镜对失效部位进行观察，金层表面并未发现可见污染物，具体观测结果如下： 
②ENIG镀层厚度检测 
使用X射线测厚仪对金层不溶焊盘镀层厚度进行测量，数据见下表，从表数据来看，Au与Ni厚度均满足规定要求。 
③ENIG镀层结构及成分分析 
1）剥金前检测 
对缩锡焊盘表面进行SEM+EDS检测，发现不上锡的Au层表面含有较高的C、O元素含量，会对焊接造成较大影响。 
1）剥金后检测 
对缩锡部剥金后观察，P含量符合规范要求，Ni面结晶正常，未发现Ni面腐蚀现象，后对其做切片确认，也未发现Ni层存在刺入腐蚀现象，形貌良好无异常。 
1>Ni层形貌及P含量 
2>Ni层切片形貌 
④缩锡位清洗后分析 
缩锡失效处C、O含量偏高，初步分析与有机物污染有关，对其用酒精进行清洗，发现C、O含量明显降低。 
⑤实验验证 
对金层不溶、缩锡板焊点用酒精清洗后做漂锡实验，漂锡后所有的之前缩锡焊点都上锡饱满，满足IPC-J-STD-003之判定标准。 
⑥小结
缩锡焊盘主要是因为ENIG镀层Au面受到有机污染，金面上存有机污染会造成金面表面自由能降低，这样会使润湿性下降，终造成金层不溶、缩锡产生。由于EDS只能确定污染元素，但不能定义具体的有机污染物，若要确认，需使用FTIR（红外线光谱分仪）、TOF-SIMS（飞行时间二次离子质谱）等方法来确定。 
为了避免金层有机污染物问题再发，建议如下： 
1）特别监控ENIG板从化金到器件上件的各个工序，确保金面不受外界异常元素污染。 
2）注意ENIG板的存储环境，避免在酸、氯、硫的环境下存放。 
3）锡的润湿性与板面清洁有很大关系，可在上件前对板做必要的清洁会对焊接有所帮助。 

2、金层本身问题 
通过金层污染分析方法后未能发现有机污染或腐蚀特征时，需要将目光聚焦到金层本身是否存在异常，这是一种非典型的分析思路，借助以下案例来说明。 
①Au/Ni互溶 
某电子产品出现金层不溶、缩锡问题，使用SEM+EDS分析后数据结果显示，焊盘缩锡区域的化学成分无明显异常，未发现外来元素。剥离金层后Ni面结晶正常，P含量满足规范，无Ni面腐蚀现象。后对缩锡部焊盘清洗后焊料仍无法润湿。 
②互溶的原因
Au/Ni互溶其本质就是Ni扩散到了Au层，产生了Au/Ni互溶产物，表面物化性能发生变化，表面能、反应驱动力均改变，难以溶于焊料，终的结果就是金层不溶，缩锡。
Ni扩散的主要来源：
1) 镀金工艺控制不当，金层中夹杂镍离子。
2) 镍层原子扩散，由于金原子尺寸远大于镍原子，提供了镍扩散的路径，而具体的扩散速度与扩散时间、温度相关。
3) 金层厚度过薄，未达到IPC规范要求，这样会对Ni扩散提供了方便。
③小结
金层本身存在异常并非常见，但在我们做失效分析时需要考虑到，以免被固有的思维所约束，找不到打开问题的钥匙。
为了防止问题出现，改善建议如下：
1) 镀金工艺的控制，避免金层中夹杂镍离子。
2) 严格管控好金层厚度要求，要符合IPC的规定，要把金厚的检查做为重点检查项目进行确认。
3) 避免不必要的烘烤动作，因为过多，长时间的烘烤固然可以降低PCB本身的含水率，降低爆板、分层的风险，但其弊端却被忽视，加速镍的扩散、氧化，甚至会出现PCB变形的风险等，会对板级装联造成严重影响。