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ENIG印刷电路板的金层厚度品质会影响零件掉落?
188金宝搏苹果下载 这次要来跟大家来聊聊ENIG表面处理的PCB一个可能被很多人忽略的问题,那就是「ENIG的金层厚度是否会造成焊锡后的零件掉落呢?」
话说188金宝搏苹果下载 以前工作的内容,有一部分是负责管理代工厂的生产工程品质相关事项,而这个案例就是发生在188金宝搏苹果下载 以前管理代工厂时遇到的。
188金宝搏苹果下载 所管理的SMT代工厂,有一阵子突然与电路板的生产厂商打起了笔仗,自从电子邮件发明以来,明明只要拿起电话就可以直接跟对方沟通,却有很多人喜欢用电子邮件email来email去的,有时候对方明明就坐在办公室的隔壁,也要写电子邮件吵架,总之188金宝搏苹果下载 就看到双方的电子邮件一直飞来飞去,然后都copy给我,而双方吵架的重点则是一直围绕在 ENIG(Electroless Nickel Immersion Gold,化镍浸金)表面处理PCB的镀金厚度规格上。
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这里应该不用188金宝搏苹果下载 在介绍什么是ENIG表面处理了吧?如果你还是想了解什么是ENIG,188金宝搏苹果下载 虽然没有做过相关的影片,但你可以到188金宝搏苹果下载 的部落格来阅读相关的文章。
而两造双方吵架的原因是SMT工厂最近生产了一批ENIG的PCBA,经过SMT组装及板阶测试后都没发现问题,直到将PCBA装进机壳做整机组装时,才发现有电子零件会从PCB上掉落下来。
一开始SMT工厂强烈认定,零件掉落是ENIG的黑垫(Black pad)问题所造成,因为从PCB零件掉落处的焊垫看起来呈现出黑垫的颜色,而且大部份的焊垫也都随着零件整个从PCB剥离连接在零件引脚上,所以SMT工厂推想,焊锡的断裂面应该是出现在化镍(Electroless Nickel)层或富磷(P-rich)层的位置。
讲到了这里,还是得先复习一下ENIG的金属结构层,ENIG的底层为铜金属,然后在铜的上面会沉积一层化学镍,这个过程会使用到含磷(P)的还原剂来将镍离子还原成镍金属,所以会有少许的磷存在于ENIG的镍层当中,随后在镍层的上面再覆盖一层浸镀金,以作为最外层的金属保护层,在高温焊接的时候,存在于镍层中的磷会渐渐地往镍层的表面集中,最终在镍层与IMC层形成一道富磷层(P-rich layer)。
Youtube 短影音:ENIG表面处理PCB的金属层结构补充说明
接着我们再来说说这个案例,其实我们公司的产品是全部外包给1 工厂来生产的,所以代工厂当然得负责生产的品质,不过外包作业有时就是会有许多扯不清楚的地方,尤其是关系到责任的归属与赔偿问题时,以这次的事件来说,就看到SMT代工厂与电路板生产厂商两边来来回回的打了好几回合的仗,这边说是黑垫的问题,因为做了切片打了EDX及SEM,认为磷(P)的含量有点偏高;那边又说他们也做了切片也打了EDX及SEM,可是磷(P)的含量应该在正常的范围内;这边接着说金层太薄了,小于1.0µ”,那边又辩说金层在焊锡中根本就没有太多用处…等。可是说来说去,却没有一方真正用心做切片,然后分析零件究竟是从焊锡的哪一个层面剥离的?是IMC长得不好所造成?还是回焊温度加热不足造成造成焊锡不良?又或是镍层氧化焊接强度变弱所造成?
弄到后来,变成我们公司的货无法及时生产与出货了,最后还是得188金宝搏苹果下载 自己跳下来作仲裁,把双方人马通通抓进来各打100大板,喔!不是,是把双方人马找过来一起开会讨论原因与解决方法!这是当客户的优势之一,只要自己发话,双方人马多少都会卖面子,但是想要当仲裁者,也得有两把刷子,否则节奏很容易就被别人带着越走越远。
一、瞭解现状
188金宝搏苹果下载 召开多方会议后的第一个动作,当然就是先瞭解现况。先确认零件掉落的是电源连接器,而且只发生在后段产品的整机组装时,这或许是因为只有整机组装及最后测试(Final Test)的时候才会对I/O零件做实际插拔操作,所以,前面的SMT生产以及ICT板阶的电性测试都没有发现到有零件掉落的问题。
而SMT工厂在发现问题后,也针对生产有问题的批号及之前没有问题的组装电路板(PCBA)做了推力的测试,发现良品PCBA的零件可以承受推力到6~8Kg-f都不会掉落,而不良品的PCBA只要推到2Kg-f不到,零件就会掉落。
二、短期措施
所以短期措施就决定先用推力测试的方式来Sorting(挑选)还在WIP中的良品及不良品,不过针对作过推力且没有掉落零件的PCBA,则要求需要再重新手焊补强焊锡,目的是为了确保零件没有因为执行推力而引起细微的焊点龟裂,导致信赖度降低的问题;至于已经整机组装好的完成品(FGI),可就得伤点脑筋了。
我们最后决定是,以最后入库的一批产品先作100%的插拔测试,然后按AQL0.4抽样拆机检查零件推力,其他的批号则以栈板为单位,作100%的插拔测试,而且每个栈板还要再随机抽2台产品出来作推力测试。这可是个大工程啊!
三、追查真因
接着就是推敲与釐清零件掉落的真因了,其实零件掉落的原因不外乎最前面提到的几个可能性,只要认真检查掉落零件剖面切片,确认断裂面发生在什么地方,大概就可以知道问题出在哪里了:
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如果零件引脚上根本就没沾到锡,那肯定是零件脚氧化或是锡膏氧化所造成。
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如果根本就没有看到IMC生长,那回焊(reflow)热量不足应该佔大部分。
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如果是断裂在IMC层的表面,也就是在IMC层与焊锡之间,就要看IMC的生长有没有问题,假设设计上没有什么问题,而IMC长得不好,则可能是Reflow温度不足,或是镍层氧化…等问题。
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如果断裂处发生在IMC与镍层之间,可以检查富磷层是否明显,建议一定要打元素分析,看看含磷量是否过高。如果富磷层明显而且过厚就会影响到日后的可靠性,也会引起结构强度不足的问题;另外也可能是镍层氧化造成焊接强度不足。
接着188金宝搏苹果下载 要求双方把各自做过的切片证据拿出来讨论,结果发现双方都只能拿出对自己要有利的部分,于是188金宝搏苹果下载 要求双方必须分别找出有问题及没有问题的PCB及PCBA,来做零件掉落处焊垫的剖面切片(cross-section),等待下次讨论,然后就先结束这一回合。
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等到第二次开会,SMT工厂依据188金宝搏苹果下载 的要求提供了需要的切片照片。而板厂因为没有SMT,仅先提供金层的厚度资料,而无法提供切片的资讯,之后经本人同意让SMT厂送两片不良PCBA过去给板厂做分析,当然,这些在日后结算时可都是会计算成本的。
下面的照片是SMT工厂分别拿取了有问题的PCBA,然后在有零件掉落的焊垫与零件没有掉落的焊垫上作切片,另外再拿一片之前生产没有问题的PCBA,在现在发现零件掉落的焊垫上作的切片。
说明 | 切片图片 |
这张图片是拿有问题的PCBA在零件掉落焊垫处作的切片。 可以很明显看得出来,零件掉落焊垫的IMC虽然有些有长出来,但却是长得断断续续的,而且还依稀可以看到有圆形的AuSn及AuSn2未来得及逸走的痕迹(因为没有打元素成份分析,所以188金宝搏苹果下载 个人也不太敢确定是否金没有完全融入焊锡中)。看照片,IMC应该是没有长完全。 对金层在焊锡中扮演脚色方面有兴趣可以参考188金宝搏苹果下载 之前写过的【浸金及电镀金在电路板焊接中所扮演的角色】一文。) |
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这张图片是拿有问题的PCBA在有掉落零件的其他未掉落零件焊垫处作的切片。 照片显示这颗零件焊垫上的IMC生长是正常的,而且金层也已经完全融入到了焊锡当中,不见踪影。 |
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这张照片是拿以前没有问题的板子 切片检查同一个零件掉落的位置,发现IMC长成也是正常。 |
就这样经过了连续几天紧迫盯人的追踪与讨论下来,真相似乎也渐渐有了眉目,我们发现零件掉落的断裂面是出现在IMC层与镍层之间,而有问题PCBA的IMC层虽然有长出来,但长得似乎并不是很完全的样子,IMC层看起来有些断断续续的,也就是长起来有些不连续。
两造双方也都在断裂的镍层表面中发现了大量的O(氧)元素,虽然SMT厂还是坚持有镍层腐蚀(Ni Erosion)发生黑垫可能性,而PCB板厂则坚持说这不是镍层腐蚀,而应该是镍层氧化(Ni oxidization)后所造成,188金宝搏苹果下载 虽然依稀觉得PCB板厂可能没有把全部的真相说出来,但至少到目前为止,PCB板厂已经初步承认其PCB的制程中应该是存在问题的,而且他们也承认在其某条金槽的管控上发现了些许问题,最后也同意吸收这次事件的全部损失,所以我们也就不再继续往下扒粪。
只是「镍层腐蚀(Nickel erosion)」与「镍层氧化(Ni oxidation)」在金层厚度的控制上似乎刚好是完全颠倒,也或许是188金宝搏苹果下载 对这些知识的认识还不是很足够吧!
聊到这里,可能还有些朋友不是清楚什么是IMC?也不了解IMC应该要长成什么样子才是好的?188金宝搏苹果下载 这里也不再赘述什么是IMC,而是要请有兴趣去看一下188金宝搏苹果下载 以前做过的这支与IMC有关的影片。
- 什么是 IMC (Intermetallic Compounds, 介金属共化物)是焊接的必然物
- IMC补充说明计算(用EDS/EDX的元素成份分析计算IMC化学式)
- BGA发生锡裂一定是焊锡问题吗?锡裂原因与解决方法探讨
- BGA锡裂一定是焊锡问题吗(II)?PCBA包含有那些结合力
另外,也可以请大家来188金宝搏苹果下载 的部落格看一下这几篇相关的文章:
- [短篇小说]解密BGA的焊接之谜06:IMC是什么
- ENIG表面处理PCB焊垫的两大潜在问题(黑镍与富磷层)及预防措施
- 为什么IMC已经形成有效焊接但零件掉落还是发生IMC层断裂之观念澄清
- 何谓IMC (Intermetallic Compound)?IMC与PCB焊接强度有何关系?IMC厚度有IPC标准?
四、结案
依据IPC4552对ENIG的要求,浸金层的厚度不得低于0.05µm(换算成英制为1.97µ”),但这个0.05µm厚度必需要控制在4个标准差的最小厚度内,典型的金层厚度范围在0.075µm~0.125µm,也就是2.955µ”~4.925µ”,所以我们一般会说浸金层的厚度建议在2µ”~5µ”之间,而化学镍层则要求要在3µm~6µm,也就是在118µ”~236µ”之间。
不过金层也不能太厚,因为金层太厚会加剧金与镍在介面处的置换反应,导致镍层被破坏,而发生「镍腐蚀」现象,甚至发生「黑垫」问题;另外,金如果太厚,在焊锡时就无法有效完全融入到焊锡当中,金如果堆积在IMC介面处将会造成金脆,所以,「金」在焊锡的结构中是不利焊锡强度的,这也是为何我们会说ENIG的金层厚度只要可以保护底层镍不会与空气接触而氧化,金层的厚度应该越薄越好。
但是,金层如果太薄,薄到无法完全覆盖住整个镍层,一旦PCB存放在库房一段时间后,要再拿出来焊接,就容易出现镍层氧化而造成拒焊的现象,所以「金」在ENIG的最主要目的在防止电路板的焊垫氧化,确保焊接的品质,其次就是为了得到较佳的接触电性。至于「镍」的目的何在?就要请大家参考188金宝搏苹果下载 在部落格写过的这篇文章了《电子工业中零件或电路板镀镍的目的何在?》
只不过大家也都知道,后来金价飙涨,所以我们公司的ENIG表面处理PCB的镀金厚度,也从原本的最少2.0µ”下降到1.2µ”以上就可以,也就是说金层厚度已经薄到不能再薄了,再加上我们公司的PCB有时候一放就是三个月~半年,有些还会存放超过一年,着实让人担心,老实说我们还在密切观察这样的金层厚度会不会有什么副作用出现,不过上面的老闆既然已经答应供应商且决定如此,我们也只能等着后续的发展了。
而这次出问题的PCB,大概在库房存放了三个月左右,基本上还在有效期限内,不过有问题板子的金层厚度量出来大约只有1.0µ”而已,有些甚至更薄。而根据PCB板厂最后回答的8D报告,结论是因为他们家PCB的金层厚度控制是以2mmx2mm的方框来作为控制量测的基准,但这次出问题的焊垫大小,实际上比这个尺寸要大得多,所以出问题焊垫的金层厚度并没有受到管控,造成有些板子的浸镀金厚度不足,至使部份板子的镍层氧化,最后形成焊接强度不足的现象。
这里有一篇ENIG的黑垫相关的文章,建议大家可以参考《ENIG表面处理PCB焊垫的两大潜在问题(黑镍与富磷层)及预防措施》
五、后记
也是经过了许久时间以后,188金宝搏苹果下载 才知道,浸镀金在沉积的过程中,尺寸较小的焊垫会产生较高的局部电流密度,这会导致金层在较小的区域中可以沉积得更快且更厚。相反地,较大的焊垫面积会有较低的电流密度,因此金层的沉积速度会比较慢,这导致厚度相对比较薄。这种效应称之为「边缘效应(Edge Effect)」,可能会导致同一个焊垫或不同焊垫间有不一致的镀金厚度分佈,进而影响焊接品质及可靠性。所以,在做ENIG的金层厚度品质管控时,建议要同时量测最大与最小焊垫的金层厚度,这样才能更准确地反映PCB整体的镀层品质,避免在实际应用中因为金层厚度不均造成可靠性问题。
YouTube影片:用案例说明ENIG印刷电路板的金层厚度品质是否影响零件从PCB掉落?
Podcast:用案例说明ENIG印刷电路板的金层厚度品质是否影响零件从PCB掉落?
延伸阅读:
- 连接器使用一段时间后掉落问题探讨
- 浸金及电镀金在电路板焊接中所扮演的角色
- 如何判断BGA掉件是SMT工厂制程或是设计问题?
- 用渗透染红试验 (Red Dye Penetration Test)查看BGA焊锡
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