引言

 

化學鎳鈀金（ENEPIG）表面處理工藝被稱為“萬能涂層”。其可焊性能優異、鍍層平整度高、可防止黑盤問題等優勢成為當下PCB表面處理工藝的極佳選擇。然而鎳鈀金工藝成本高昂，且不可返工，一旦發生失效，其損失也使得一般企業難以承擔。

 

本文以PCB鎳腐蝕失效分析為例，通過形貌觀察、表面分析、切片分析等方法，分析其失效機理，并提出改善建議。

 

一、案例背景

 

PCB（表面處理方式為鎳鈀金）SMT 制程后超聲鍵合出現打不上線問題，表現為鎳層和鈀層分離。

 

二、分析過程

 

1. 外觀檢查

利用體式顯微鏡對失效樣品及正常樣品鍵合點位置進行外觀檢查，結果如圖1所示。

發現失效樣品有鍵合不良現象，且失效位置不固定（紅色箭頭所指）。失效焊盤呈現不同程度發黑現象。正常樣品鍵合完好，未發現明顯異常現象。

 

圖1. 失效樣品及正常樣品鍵合點外觀檢查照片

 

2. 表面分析

為了進一步觀察失效焊盤表面微觀形貌及確認焊盤表面成分信息，對失效品及正常品焊盤表面進行形貌觀察及成分分析，結果如圖2-3及表1-2所示。

分析結果顯示：

①失效焊盤表面明顯發現鍍層脫落現象，成分測試結果顯示，脫落位置未探測出Au及Pd元素，表明脫落鍍層為金、鈀鍍層，即失效焊盤表現為鎳鈀層分離；

②失效焊盤表面放大后，明顯發現裂紋現象，而正常樣品焊盤未發現裂紋現象；

③成分測試結果顯示，失效品焊盤較正常品焊盤，未發現明顯異常元素存在，初步排除污染對焊盤鍵合不良的影響。

 

圖2. NG#1不良焊盤表面SEM圖片及EDS能譜圖

 

表1. NG#1不良焊盤表面成分測試結果（wt.%）

 

圖3. OK焊盤表面SEM圖片及EDS能譜圖

 

表2. OK焊盤表面成分測試結果（wt.%）

 

3. 剖面分析

為了觀察失效樣品及正常樣品焊盤鍍層形貌及成分狀況，對失效樣品NG#1及正常樣品OK焊盤進行切片+CP處理后，對截面進行SEM+EDS分析，結果如下。

失效樣品（NG#1）：如圖4及表3所示，測試結果顯示：①鍵合脫落位置，明顯發現鈀層脫落現象，與表面分析結果一致；②脫落焊盤明顯發現連續性鎳腐蝕現象，同時發現鎳表層存在較多裂紋分布，鎳、鈀層之間存在界面分層或界面間隙現象，成分分析結果顯示，鎳表層腐蝕位置O含量偏高，進一步證明鎳腐蝕的發生；③鎳鍍層P含量為6.8%wt。

 

圖4. 失效樣品切片后SEM圖片及EDS能譜圖

 

表3. 失效樣品切片后成分測試結果（wt.%）

 

正常樣品（OK）：如圖5及表4所示，測試結果顯示：①焊盤未發現明顯鎳腐蝕現象，局部位置存在鍍層開裂現象；②鎳、鈀界面結合緊密，未發現界面分層或界面間隙等現象；③鎳層P含量為7.4%wt。

 

圖5. 正常樣品切片后SEM圖片及EDS能譜圖

 

表4.正常樣品切片后成分測試結果（wt.%）

 

以上結果可知，失效樣品鍵合不良焊盤及鍵合外觀正常焊盤，鎳表層都存在較多裂紋現象、鎳表層氧含量偏高現象。鍵合不良焊盤局部區域存在連續鎳腐蝕現象。鎳腐蝕導致鎳鈀界面出現界面間隙甚至界面分層現象，最終導致鍵合過程中鎳鈀界面結合力弱而出現鈀層脫落現象。

 

4. 非鍵合位置鍍層觀察

為了確認失效焊盤鍍層異常是否與鍵合工藝相關，對非鍵合區域鍍層剖面后進行對比分析，結果如圖6所示。

對于非鍵合區域，失效樣品局部位置同樣發現嚴重鎳腐蝕現象，正常樣品相應位置鍍層未發現鎳腐蝕現象，但局部位置同樣發現鍍層裂紋現象。非鍵合區域鍍層狀況與鍵合區域類似，故焊盤鍍層異常與鍵合工藝無關。

 

圖6. 失效樣品及正常樣品遠離鍵合位置鍍層形貌對比

 

5. 鍍層厚度測量分析

為了確認焊盤鍍層（Ni、Pd、Au）厚度是否滿足客戶要求，對失效樣品及正常樣品，分別利用XRF及切片法對鍍層厚度進行測量分析。

 

5.1 XRF測量法

如表5所示，失效樣品及正常樣品，焊盤金、鈀鍍層厚度無明顯差異，都在委托方標準要求內。NG樣品（#2）兩處測試位置及OK樣品一測試位置，鎳層厚度不符合委托方標準要求，低于委托方標準下限。

 

圖7. 焊盤鍍層厚度測量樣品及位置

 

表5. 焊盤鍍層厚度測量結果

備注：1、校準器為φ0.05mm，測量時間為30s；2、所給結果為五點平均值。

 

5.2 切片法 （Cross section+ CP）

如表6所示，失效樣品及正常樣品，金、鎳鍍層厚度都滿足委托方標準要求。失效樣品的鈀層厚度明顯低于正常樣品，其中失效樣品NG#1鈀層厚度不符合委托方標準要求。

 

圖8. 焊盤鍍層厚度測量樣品及位置（切片法）

 

表6. 焊盤鍍層厚度測量結果（切片法）

 

三、總結分析

 

通過對失效樣品及正常樣品鍵合點位置進行表面及剖面對比分析，結果顯示：失效樣品鍵合不良焊盤及鍵合外觀正常焊盤，都存在鎳腐蝕現象，表現為鎳表層分布較多裂紋、鎳表層氧含量偏高現象、鎳鈀界面出現界面間隙甚至界面分層現象。正常樣品焊盤除發現局部位置鍍層裂紋現象外，鎳鈀界面結合完好，未發現明顯鎳腐蝕特征。

 

通過對失效樣品及正常樣品遠離鍵合區域鍍層切片后觀察，其鍍層狀況與鍵合區域相同，排除鍵合工藝不良對鍍層異常的影響。

 

鍍層厚度測量分析結果顯示，失效樣品鈀層厚度明顯低于正常樣品，個別失效樣品鈀層厚度低于相關標準要求。

 

四、結論與建議

 

綜上所述，PCB焊盤鍵合失效的原因為：失效樣品焊盤局部位置鎳鍍層存在嚴重鎳腐蝕現象（連續鎳腐蝕），導致鎳鈀界面出現間隙甚至分層現象，弱化了鎳鈀界面結合力，最終導致鍵合過程中鈀層脫落而出現鍵合不良。

 

建議：

嚴格管控ENEPIG工藝參數，避免鎳層出現異常。

 

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