ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold,无电镀镍浸金),是一种用于电路板表面处理(Finished)的制程,一般简称之为「化镍浸金板」,也有人将之简称为「化金板」或「沉金板」,目前广为应用于手机内装的电路板上,有些BGA封装IC的载板也会使用ENIGE或NEPIG(化学镍钯金)。
ENIG的外观很容易办认,目前在市面上看到的电路板表面如果可以看得到有金色的焊垫(如文章最前面图片所示)大概就是它了,其实还有另外一种「电镀镍金」板也会呈现出金色的焊垫,但现在金子贵得很,除非特殊需求必须要用到比较厚的金层或是硬金,否则现在已经看不太到电镀镍金板了。
相较于电镀镍金来说,这种化镍浸金在电路板厂的制程当中不需要在电路板上通电做电镀,也不需要在每一个待电镀的焊垫(pad)上拉一条导线接通才能镀上镍金,因此ENIG的制程相对比较简单,产量也是电镀镍金的倍数之上,所以生产费用相对来说也就比电镀镍金来得便宜。
不过ENIG表面处理也有其缺点及问题,比如说焊接强度与铜基地PCB相比偏低,容易生成黑垫(Black pad)品质问题也常为人所诟病。
ENIG的镍层及金层的厚度要求
依据IPC-4552(2002)的要求一般ENIG电路板的化金层厚度建议落在2µ"~5µ"(0.05µm~0.125µm)之间,而化学镍层厚度则落在3µm(118µ")~6µm(236µ")。
随着金价越来越贵,现在的PCB板厂为了节省成本,很容易在金层上偷斤减两做手脚,建议要重点管控金层厚度,特别是大面积的焊垫。不过,金层越厚,也代表着成本越高,根据188金宝搏苹果下载 过往的经验,我们曾经将金层厚度放松到最薄1.2µ"还可正常运作。
化学镍金的生产流程大致如下:
前处理→除油→水洗→酸洗→水洗→微蚀→水洗→预浸(H2SO4)→活化(Pd触媒)→水洗→化学镍(Ni/P)→水洗→浸镀金→金回收→水洗→烘干
前处理:目的在刷磨或喷砂以去除铜表面的氧化物并粗糙化铜表面以增加后续镍合金的附着力。 微蚀:过硫酸钠/硫酸以去除铜面的氧化层并降低前处理时刷磨所造成的沟痕深度。过深的刷痕经常会成为浸金攻击镍层的帮凶。 活化:由于铜面无法直接启动化学镍的沈积反应,所以必须在铜面先上一层钯(Pd)来当作化学镍沈积反应的触媒。利用Cu的活性比Pd大的原理,使钯离子还原为钯金属并附着于铜面上。 化学镍:Ni/P,其主要作用为阻绝铜与金之间的迁移(migration)与扩散(diffusion),并作为与后续焊接作用时与锡化学反应生成IMC的元素。 浸镀金:金的主要目的在保护并防止镍层氧化,金在焊锡的过程当中并不会参与化学反应,过多的金反而有碍焊锡的强度,所以金只要够覆盖住镍层使之不易氧化即可,如果要作COB (Chip On Board)打线就另当别论,因为金层要有足够的厚度。
如果你想更详细的了解ENIG的整个制程,可以参考这篇文章,还有影片可以加深印象:[影片]电路板生产线制程简介(PCB Production Process)
电路板ENIG(化镍浸金)表面处理的优点:
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其表面处理可以作当成COB打线的底金属使用。
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可以反覆进行多次reflow(回焊),一般会要求至少可以耐3次以上的高温焊接,而且焊接品质仍然可以维持一致。
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具有优异的导电能力。可以当成按键导通的金手指线路使用,而且信赖度高。
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黄金金属活性低,不易与大气中的成份起反应,所以可以起到一定的防氧化、抗生锈之能力。所以ENIG电路板的保存期限一般都可以轻易超过六个月以上,有时候即使放在仓库中超过一年以上,只要其保存状况良好,没有生锈问题,电路板只要经过烘烤除湿及焊性测试后确认没问题,还是可以继续使用来焊接生产。(请注意:由于金子越来越贵,许多PCB厂会降低金层厚度以节省成本,但金层太薄就无法完全覆盖并保护其底层镍金属,以致偶有听到ENIG存放一段时间氧化的情形,建议阅读【零件掉落与电路板镀金厚度的关系】及【浸金及电镀金在电路板焊接中所扮演的角色】以更进一步了解金层厚度要求。)
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黄金暴露于空中也不易氧化,所以可以设计大面积的裸露垫(pad)来当做「散热」之用。
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可以当成刀锋板的接触面之用。这个应用的镀金层必须要厚一点。一般会建议镀硬金。(更多阅读:何谓硬金、软金、电镀金、化金、闪金?)
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ENIG的表面平坦,印刷印锡膏的平整度好,容易焊接。非常适合用于细间脚零件与小零件,如BGA, Flip-Chip 等零件。
电路板ENIG(化镍浸金)表面处理的缺点:
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一般来说,Ni3Sn4的焊点强度不如Cu6Sn5,某些特别要求焊接强度的零件可能无法承受过大的外力冲击力而有掉落风险。
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因为「金」的价格节节高升,所以成本相对的比OSP表面处理来得高。
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有「黑垫(Black pad)」或「黑镍」产生的风险,黑垫一旦生成会造成焊点强度急速下降的问题。黑垫为复杂的NixOy化学式组成,其根本原因为化镍表面在进行浸金置换反应时,其镍面受到过度的氧化反应(金属镍游离成为镍离子即可广义的称为氧化),再加以体积甚大的金原子(金原子半径144pm)不规则沈积形成粗糙且疏松多孔的晶粒排列,也就是说「金」层未能完全覆盖住其底下的「镍」层,让镍层有机会继续与空气接触,最后在金层下面渐渐形成镍锈,终至造成焊接阻碍。现在有一种「化镍浸钯金((ENEPIG)」的制程可以有效解决「黑垫」的问题,但因为其费用还是相对比较昂贵,所以目前还只有高阶板、CSP(Chip Scale Package)或是BGA业者採用。(后续有机会再来探讨「黑垫」问题)
所以,如果有电气接触需求的产品(例如弹片电气接触、按键接触)就非常适合採用ENIG的板子。另外,少量的产品也比较适合採用ENIG,可以降低PCB没有即时用完的报废率。
延伸阅读:
PCB焊接强度与IMC观念
按键金手指上的绿色污染物是什么?
整理几种常见PCB表面处理的优缺点
何谓硬金、软金、电镀金、化金、闪金?
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欧付宝
感谢熊大的回覆,
DRQFN在第一面就上件过炉,但是单DRQFN这一颗到目前仍有5~8%的不良率,每批不太一样,目前讨论下来是倾向使用化金板。
1.使用化金板不敢期望能把不良率降到0,但是不是一定比喷锡板更好,能够不良率降到最低。
2.喷锡板与化金板的SMT Profile条件应该是不一样的?
SMT厂的回覆设定条件是一样的,但还是要依据试产状况做调整。
感谢~
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熊大您好,端午佳节愉快
在生产中有遇到一些状况想请教,
目前在生产8层喷锡板在DRQFN 164上,常会遇到空焊问题,造成很大的维修困扰。
一路分析下来,因喷锡板表面处理无法平整,所以会造成IC浮高、倾斜导致空焊,PCB及SMT厂建议使用化金板来解决表面不平整问题。
因长期以来都是用喷锡板,没有使用过化金板,DRQFN只能靠X-Ray检查,其他看得到的吃锡状况有没有一些验证方式,例如IC脚的吃锡推力。
感谢~
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Edwin,
DRQFN是多脚零件,基本上脚数(焊点数)越多的零件,推力越不具备参考价值。
基本上可以把DRQFN想像成简单版的BGA,所以BGA的焊性如何检测,DRQFN就如何检测。
喷锡板的不平整大多是在第二次过炉面才会发生,所以,尽量安排在第一面过炉就比较没有不平整问题,当然得考虑是否引起其他问题。
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Hi,熊大,镀银和ENIG相比有什么优点和缺点呢?目前看到PCB镀银氧化后颜色变得比较难看,焊接优点还是蛮多的。但是现在所在的通信行业,还是选择ENIG最多的,这个是从什么方面考虑的能解释下吗?
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蝈蝈,
你问的应该是化银或沉银表面处理,就我个人的瞭解,化银好像只有在RoHS该开始的时候流行过一阵子,后面就很少人使用了,因为银的含量如果超过一定比率,在焊锡的过程中就容易长出锡鬚,日后更有电子迁移长出晶枝(dendrite),非常不利细间距的产品。而且还传出化银在IMC层下方容易生成微小气泡影响产品的可靠度,尤其是BGA零件。
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我想了解一下关于PCB pad脱落失效原因;pad预上锡经过焊接后焊点脱落的原因.
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Brandon,
没有办法回答你的问题。
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HI! 您好! 最近有一个case 让我很confuse,由于我目前用到一种FemtoFET™ Surface Mount 的零件,其零件相当小 最小的PAD 大约为0.2mm X 0.25mm 的大小,而焊接的良率仍无法满足客户的需求,其不良的现象是 与 元件PAD共接面 共金效果不佳,似乎会呈现假焊的现象。并且将假焊的零件拆下,元件PAD表面会呈现发微微深黑的现象,并且不再容易上锡。请问188金宝搏苹果下载 有遇到类似案例吗? 是否与所谓的黑镍相关? 我们目前用的是化金的板子,但是发黑的位置不是在PCB版的PAD而是元件本体PAD上。
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Simon,
1. 建议你先确认零件上焊接用的镀层是什么金属,不同的金属镀层会使用不同的方式让镀层黏附在零件上,也会影响焊锡效果与重焊性。比如说镀锡或镀金就与镀银不一样。
2. 从你的问题描述,你已经认为问题出在零件上了,如果是零件问题,首先要确认是否有氧化的情形,可以拿同一Date-code的零件是作焊性。另外,建议可以将不良品送分析,看看有没有生成IMC层来判断。其次,要确认你的零件有没有受潮,检查自己的储存环境与车间的温度及湿度是否在控。
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请教一下熊大:
我们4″ wafer 厂也有做化镍镀金的制程(虽然跟PCB可能有些地方不一样),但最近遇到一个case想请教:
镀金的时候,如果镀浴刚建立好,此时的晶片浸下去可以镀得较厚的金层,色泽也较明显有橙黄色;但随着镀浴长时间使用,晶片镀得的金层会越来越薄,色泽也偏淡,因此被客诉@@
目前我们长官想要建立一个补金程序,定义每使用多少次镀浴要添补一定量的金.但是遇到一个难题是,怎样可以侦测镀浴中的金量并据此来认定需要补金的时间点??
(小弟初接触此领域,只知道镀浴控制pH值使用柠檬酸跟氨水,可是这两个物质以及pH值看起来无法直接反应出镀浴内的金量,不知是否还有什么可以做为侦测的参数??)
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Huang,
这个建议你去询问卖给你的金渡液的厂商,看他们是如何检验自己的金浓度,应该就会有答案了,或是去问设备商也可以。
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若没有上件的需求则PAD不上锡,那么PAD之后发生氧化的状况,是否对产品有所影响
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PY;
这个要看你的板子焊垫的目的是做什么而定了?如果是作为接触之用,就会造成接触不良,依使用环境而定氧化程度不一定。如果只是原本应该上零件的地方,某些地方没上件,通常没有太大的关系。总之要视实际状况而定。
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请教一下熊大
不晓得您有没有碰过PCB焊垫局部拒焊的状况?(不定点,多为R/C/L)
PCB焊垫几乎不吃锡, 但该位置的零件吃锡,
虽为偶发, 但客户一直质疑为我SMT制程问题, 令人困扰.
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马克,
你所提到的问题有两个可能,这两个问题都与热能有关:
1. ENIG焊垫表面轻微氧化。氧化的焊垫表面将会需要更多的热能。
2. 热传导问题:如果零件的热传导比焊垫的热来得快,那么锡膏将会被吸到零件脚,这也与零件脚的焊接表面处理与所使用的锡膏有关系,如果零件较为纯锡,就比较容易发生这样的问题。
建议你参考这篇文章整理SMT回流焊接缺点、可能原因及其对策
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