5.3 黑色焊盘现象

5.3.1 黑盘现象

许多公司将ENIG Ni（P）/Au用做表面涂层并获得成功。然而，在将BGA与ENIG Ni（P）/Au涂层结合起来使用时，其结果并不十分理想，特别是最近几年，出现了两种失效模式。

（1）第一种失效模式是不润湿或半润湿，这种现象称为“黑色焊盘”（简称“黑盘”现象）。

（2）第二种失效模式是与机械应力相关的层间开裂。

ENIG Ni（P）/Au工艺中出现了黑盘（氧化Ni）现象，如图5.10所示。上述现象，甚至当Au层已覆盖了Ni层，但由于Au层的多针孔性，以致挡不住氧化Ni的上下生长而形成大片氧化物。严重时大面积黑色焊盘上有腐蚀斑点穿过浸金表面底部的富P层延伸到Ni层，如图5.11所示。

图5.12所示为未焊接前剥去Au层后的正常Ni面，而图5.13所示为未焊前剥去Au层后，发现的已经受到化学浸Au液攻击后的Ni面。

对PCBA上失效焊点拆下CSP后其焊盘全为黑盘，如图5.14所示。严重时还将出现如图5.15所示的黑泥状结构。

5.3.2 黑盘现象的形成机理

1.置换型无电解镀（简称置换镀）

“黑盘”现象通常均发生在ENIG Ni/Au涂层中，目前在业界获得ENIG Ni/Au涂层的方法普遍采用“置换”工艺。这正是导致“黑盘”现象发生的根源。

所谓“置换法”ENIG Ni/Au的电化过程是：把底层金属离子氧化溶解和溶液中的金属离子交换作为金属被析出的机理，叫做置换镀，也有人把置换镀称为浸渍镀。

这种镀层反应中的电子供给是：

M→Mn++ne-

上述的析出反应是不可逆的。例如，在氰化金溶液中浸入Ni片时，在Ni片表面被覆盖一层Au膜，其反应式为

Ni→Ni2++2e-（氧化反应）

Au2++2e-→Au（还原反应）

由于不断地进行析出，露出的底层面积不断变小，由于底层金属的溶解反应不能充分进行，故反应速度变慢。所以要得到厚的镀层是不可能的，而且析出的镀膜是多针孔性的。

2.黑盘的形成机理

在ENIG Ni（P）/Au工艺中，当Au离子镀覆成为金层时，镀液中的Au离子吸收Ni表面的电子，Ni离子被释放到镀液中。由于某些微结构特性，如晶粒边界和电化学等原因，局部交换并不是始终在进行。即可将Au沉积到一个位置或区域，而Ni离子从不同位置或区域释放出来。这种工艺的可能结果是Ni被侵蚀，留下粗糙的富P层与钎料形成弱连接，如图5.16所示。受影响的焊点不会与焊盘铜层形成牢固的机械键合。因此，在相当小的外力作用下，焊点就会失效。在焊盘上所能看到的只有很少的钎料，甚至没有钎料。而在焊盘上大部裸露着从灰色到黑色的平整的Ni表面（见图5.14），“黑色焊盘”就是源自这个位置。SEM分析说明类似于“不清晰裂缝”的特殊的Ni状结构，如图5.17所示。EDX分析说明P和Ni含量高，而Sn含量低。从抛光的剖面图可以观察到腐蚀标记和富P层。

3.Au层的多针孔性导致Ni层氧化

通过在Ni表面置换Au的工艺方法所形成的Au层是薄而多针孔性的。针孔发生的数量与ENIG Ni/Au工艺参数及其工艺过程控制有关，同时也与化学镀Au层的厚度有关。当涂层过薄或者工艺过程参数控制不当时，就可能造成覆盖在Ni上的Au层质量低劣，存在大量的针孔，空气中的氧（O2）穿过这些针孔直接向底层的Ni侵蚀，如图5.18所示。

上述现象，甚至当Au层已进行覆盖时，由于Au层的多针孔性，以致挡不住氧化Ni的上下生长而形成大片氧化物。Au与其底层Ni之界面间在焊接前早已存在一些可观的Ni的氧化物，如图5.19所示。

这种缺陷具有偶发性，发生的位置也无从捉摸，是一种无法预测的隐患，危害极大。

5.3.3 有关“黑盘现象”隐患的背景资料

1.IPC-7095中的描述

“黑色焊盘”现象的出现看上去并不足以说明不能将ENIG Ni/Au作为表面涂层。通过组装工艺，使用涂敷有这种涂层的PCB的组装厂家也应意识到存在这种潜在的问题，学会识别这些问题，并采取校正措施。

最近的分析说明，即使没有出现过度腐蚀，在施加了高应变和应变速率的情况下，在焊点Ni表面和Ni/Sn金属间化合物层间的界面出现开裂，从而导致在不同的实验测试条件下，包括弯曲、机械撞击和热循环中出现故障。数据说明当提高了应变速率时，使得故障模式转向焊点的界面间开裂。因此，如果应变速率足够高的话，即使在降低了应变的条件下也会出现界面间开裂。目前，尚没有行业的技术规范对其进行量化，故也无法分析和评估组装后的BGA器件的任何表面涂层的机械强度。

另一种方法是电解Ni/电镀Au表面涂层。然而，这种镀层类似相同的ENIG Ni/Au，会产生不同的晶粒结构，不能抑制“黑色焊盘”焊点开裂的现象。

还有一个问题是板上的金层厚度是难以控制的。金层可能太薄（如致密布线的区域）或太厚（如在绝缘电路中）。由于焊点中金含量高（＞3%），后者会使焊点产生Au脆化现象。

2.SMTAI2000国际表面贴装技术学术论文集中的描述

曾在大会宣讲的论文《Comparison of Ag，Ni/Au and Solder PWB Surface Finishes on the Second Level Reliability of Fine Pitch Area Array Assemblies》（《涂敷了Ag、Ni/Au和有机可焊性保护涂层（OSP）的窄间距面阵列组件的二级可靠性比较》）中有下述描述：

……在Ni镀层表面上浸Au并不像涂敷钎料和浸Ag表面涂层的性能那样好。PCB周围和元器件界面的高浓度Au-Sn金属间化合物使得这些区域的焊点裂缝快速蔓延。

……未组装的PCB横剖面，呈现出黑色焊盘的症状，证实这是由于氧透过金的针孔渗入到Ni层所致。

……Ni表面上浸Au层看起来存在黑色焊盘缺陷的可能性，为此应注意观察。

……对浸Au工艺进行适当的控制，就可降低黑色焊盘缺陷，将Au含量控制在脆性等级（＜2%）以下，就能获得可接受的热循环可靠性，并能避免Au-Sn金属间化合物成分沿着互连界面蔓延的现象。