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1、 3C22: 讨论“黑盘缺陷”一种失效分析透视摘要近几年来PCB装配工业在焊点的失效方面备受“黑盘”缺陷的折磨。有文件证明这个问题是由于流电对化学镀镍表面浸金的涂层（简称ENIG：Electroless Nickel surface from the Immersion Gold）攻击的结果。根据对Ni表面腐蚀程度的不同，出现各种类型的焊点失效。本文重点讨论这些焊点失效的特点，确定失效是否与黑焊盘缺陷有关，对用户起到实际的指导作用。这种方法也包括返修中PCB表面经过再处理的情况。我们的调查显示，所有与焊点失效相关的黑焊盘，都有某些共同的特性，即都可以证明失效与ENIG工艺有关。在Ni表面出现腐
2、蚀裂纹和富磷现象都是某些指示征兆，需要本文讨论的。对黑盘进行分析所使用的手段包括：电子显微镜扫描/能量散射Xray（SEM/EDX）、金属断面的显微镜观察、以及冶金学横向面分析。本文另一个讨论的重点是界面上出现和存在的金属间化合物。大多数在黑盘情况下遭受流电腐蚀的ENIG板是没有明显降级迹象的，很可能通过任何视觉检查。一旦对受到黑盘腐蚀的板进行装配，返修变得非常困难，而且并不总是返修成功。因此，最好的防御措施是早期发现，利用标准的实验室技术快速、准确判断与焊点失效有关的黑盘，对工业界节省时间和金钱将有着重大意义。引言工业界已对黑盘进行了大量的研究，详细讨论了引起黑盘的原因和对Ni表面不同腐蚀程
3、度所引起的严重性（1、2）。然而与黑盘腐蚀有关的各种类型的焊点失效讨论很少。缺乏统一的标准和测试协议，导致PCB供应商和装配厂商之间关于PCB是否能用责任之争的问题延长。当今没有实际的方法在印刷前检查裸板是否有黑盘，这种历史性的问题常常在后工序不润湿或焊点早期失效时才发现。一旦某个焊点失效是由于黑盘引起的，板上所有的其他焊点的命运都将受到怀疑。与黑盘有关的焊点失效基本上是由于焊盘处的界面受到削弱。失效模式随焊盘受腐蚀面积的百分比率和出现的润湿量变化而不同。Nick Biunno 在他的论文2中指出腐蚀的严重程度影响对Ni表面的钝化程度，最后导致影响焊点失效的可能性。大多数与焊点失效相关的黑盘出
4、现在镍锡金属间，表明焊料确实最初润湿了。当金属间化合物层下的腐蚀裂纹释放应力时，使易碎的金属间化合物（IMC）破碎、分离，导致焊点出现失效。在某些情况下，Ni表面需要详细检查不允许有一点润湿出现。有较厚IMC层的焊盘在破碎表面的颜色看上去黑灰色，而不是黑色。黑焊盘颜色也会呈现灰度梯度的变化。如果BGA焊盘采用ENIG表面处理工艺，也会发现与焊点失效有关的黑焊盘。三个基本的现象来证明焊点失效与黑焊盘问题有关1）暴露在破碎表面Ni中的腐蚀裂纹。这些通过IMC可观察到。2）从磨光的横截面观察到的腐蚀，腐蚀穿透镍层的深度，或后来扩散到表面，或两者都有。3）相对Ni体积中磷的含量而言，在腐蚀处出现富磷现
5、象必要的是这些测量中的2个必须从相同的截面上获得，保证精确的比较分析。富磷现象就是有力证明黑盘腐蚀，因为镍在腐蚀的地方被耗尽，使磷的比例富裕。在腐蚀横截面处采用EDX光谱对镍层进行分析显示磷含量的大量增长。在平面观察，镍破碎的间隙中用EDX进行磷的测量是困难的，特别当厚IMC层出现时。在分析前了解装配的历史也是很重要的。许多情况下，在装配提交到实验室以前，至少进行一次努力。通过回流将失效的BGA拆下对于装配而言也是很通常的事情。回流的焊料可能部分润湿表面，使检查很难。如果这种情况的评估能够在相邻的仪器上完成。由于腐蚀原因而能检查到龟裂的表面（焊点与焊盘分离处）。从板的横截面可以萃取元件。如果黑
6、盘腐蚀严重，足以引起至少一个焊点失效，这证明很可能腐蚀将出现在板的其他焊盘上金属断面的显微观察在许多与失效相关的黑盘中，镍表面被钝化很严重减少NiSn金属间化合物的形成，导致非常差的连接。图1显示，黑盘失效的焊盘表面。镍表面被暴露，显示在结节边界裂开。图2从镍结边界拍摄的该表面的EDX光谱，由于缺乏IMC的形成，发现很少的锡。 图1 高钝化镍层断裂表面（5000倍放大） 图2 高钝化镍表面的EDX光谱显示只有很少锡峰值，表示非常少的IMC形成大多数情况下，镍表面稍微钝化允许IMC的形成。沿镍结边界生长的腐蚀裂纹削弱了焊盘的连接。这种失效模式常常发生在BGA焊点上，这是由于焊点中铅的缺席，使之应
7、力较大。图3显示这种失效类型。在易碎破裂的表面鉴定腐蚀裂纹需要约5000倍的放大倍率。低放大倍率的图象不能足以显示细节，是非决定性的图象，只能作参考。图4显示了图3表面的EDX光谱。较大锡峰值确认有NiSn IMC层的形成。 图3 少钝化镍层断裂表面，镍中腐蚀裂纹穿透IMC层暴露到表面，（5000倍放大）。 图4 少钝化镍表面的EDX光谱显示相当多的锡峰值，可以确认在NiSn IMC层发生破裂。许多失效的装配板在返修至少一次后送到实验室分析。图5显示通过回流将元件拆除后的BGA焊盘。有些焊盘展示了差的润湿性，因此，对严重黑盘腐蚀值得怀疑。这可能被误解。图6显示了这些焊盘的SEM图，焊盘呈环状，
8、中心没有润湿。图7是没有润湿的中心焊盘处高放大倍视图。表面显示腐蚀裂纹穿透IMC层，使人想起镍腐蚀较少严重的情况。由于应力IMC层由于底部腐蚀和应力产生的破裂而被削弱。一旦断裂，暴露的NiSn IMC层具有很差的润湿表面，使返修困难（如果不能返修）。图8显示了这种表面的EDX光谱。锡峰值越大证明NiSn IMC层的出现。图5 通过回流去除元件后的两个BGA焊盘图象，显示非润湿现象。（放大倍数25倍） 图6 焊盘中心非润湿的SEM图象。（放大倍数100倍） 图7 非润湿区域高放大倍数图象。表面显示腐蚀裂纹穿透IMC层，暴露到表面（放大倍数5000倍）。 图8 非润湿区表面的EDX光谱图。较大的锡
9、峰值证明NiSn IMC层的形成。横截面需要准备好合适的横截面，来证实流电攻击镍的存在，而且证实和焊点的失效有关。横截面是唯一看到截面深度和侧面扩展的图象。它也是比较腐蚀的镍层中磷含量的最好方法。有很多打磨抛光技术提供样件，进行真实的冶金学评估。能提供连续一致结果的一种方法大致如下：灌密封胶研磨抛光蚀刻灌密封胶：使用两种环氧灌封材料。具体工艺和安全通风指导按照制造厂商的要求进行。研磨：采用不同的颗粒的沙纸打磨，120、320、1200、2400、4000，最后用转速3000RPM的研磨机打磨。样件保持一个位置，板上焊盘在边缘研磨，在显微镜中检查前述的擦伤是否移去。对于陶瓷封装，使用相当的钻石研
10、磨盘。抛光：抛光布上0.3微米的铝泥，轮速约200RPM旋转，样件紧靠轮盘，并旋转样件；接着用0.05微米非块状氧化铝泥浆放在布上，轮速约200RPM旋转，样件紧靠轮盘，并旋转样件。蚀刻：用50/50的 NH4OH/H2O2（氨水/双氧水）溶剂擦洗样件5秒钟，然后用DI水（去离子水）漂洗。先清洗腐蚀铜的蚀刻剂，这种蚀刻剂用来描绘层结构，它不与镍发生反应或腐蚀所要观察的位置。将样件按照所有步骤彻底清洗。铜由于腐蚀而损坏，为了对损坏程度的评估，贱射一层薄薄的金层（或铂金）在图形上，这样提供了无人造物品横截面，以便电镜扫描SEM观察。 下列横截面显微照片显示了镍层上腐蚀样件的变化。有些腐蚀横向扩散太
11、厉害，阻碍Ni-Sn金属间化合物（IMC）的形成，而有些则直接穿透镍层，横向扩散很小。所有这些都是黑盘腐蚀的例子，使焊盘界面连接减弱，导致焊点失效。图9显示装配好的“欧翼形”焊点大量失效的情况，箭头指示处表示在焊盘的边缘处存在流电对镍腐蚀。图10显示腐蚀处更高放大倍数情况。由图可以看到，焊盘顶面腐蚀较少。图11显示部分开裂的CSP焊点，裂纹从左边开始，焊盘采用阻焊层定义的SMD焊盘。图12是更高放大倍数的图象，箭头所指镍层中的腐蚀裂纹，正好在IMC下面。图13显示大面积腐蚀穿透到镍层。图14显示腐蚀很严重足以阻止适当的润湿。焊点开始从镍表面分开。图15是同一种装配板的裸焊盘，从图看出，正如Ha
12、dco论文所示，镀金层正填满腐蚀的裂缝。图16更高放大倍数的图象，显示镀金层越厚的地方，腐蚀最严重。图9 “欧翼形”焊点。（300倍）图10 更高放大倍数图象显示焊盘一边严重腐蚀。（2000倍）图11 CSP焊点部分开裂。（250倍）图12 裂纹高倍放大视图。箭头所示镍层腐蚀正好在IMC层下边。（5000倍）图13 大面积腐蚀穿透镍层。（2000倍）图14 腐蚀面导致连接削弱。焊点开始从镍表面分层。（5000倍）图15 与图14同种装配的裸板焊盘的横截面，镀金层穿透镍层进入腐蚀裂纹。（2500倍）图16 高放大倍数视图显示在腐蚀的镍结处过多的厚金层。（5000倍）富磷现象 图17显示腐蚀穿透镍
13、层一路直达铜层。图18是图17样件在腐蚀裂纹处的EDX光谱。相对与镍的比例而言，磷含量较高，其非标准量化的重量百分比为20.2%。图19是样件没有腐蚀的整体镍处EDX光谱，相对与镍的比例而言，磷含量较低，其非标准量化的重量百分比为11.2 %。因此，在腐蚀处的磷含量基本上是整体镍处的2倍，这说明镍镀层被严重耗尽。富磷不是引起焊点失效的原因。只是表示流电从浸金槽中对镍的攻击。 图20 遭受严重腐蚀的焊盘横截面显微图。在界面有非常少的IMC形成。图21显示同一焊盘没有腐蚀的地方视图。细细的黑线是由于IMC形成的表面镍耗尽产生的富磷层。Ni-Sn层正好在富磷层之上。图17 深度的穿透腐蚀直达镍层。使
14、用EDX，在腐蚀处的镍含量与整体镍相比。（5000倍）图18 腐蚀裂纹处的EDX光谱。与镍的含量比较，磷含量较高，其非标准量化的重量百分比为20.2%。图19 无腐蚀整体镍处EDX光谱，与镍的含量比较，磷含量较低，其非标准量化的重量百分比为11.2 %。图20 焊盘一角厚厚一富磷腐蚀层。IMC形成很薄。（5000倍）图21 无腐蚀处的视图，润湿形成镍的消耗产生细富磷带。Ni-Sn IMC结构正好在富磷层之上。（2500倍）ANOMOLIES显然，每一种情况都仔细评估决定失效的根源。有些板焊盘开裂的例子并不是与失效的黑盘现象有关。图22是一个CSP焊点横截面图。这个元件在ICT（在线测）测试中有
15、几个开路信号。装配在一个很小很薄的板上，这种板减弱热量。图23是高放大倍数的视图，裂纹在阻焊层附近开始，沿着某些大的IMC结构传播开，这些大的IMC结构在板的焊盘附近形成厚的不规则形状层。图24是一个大结构处的EDX光谱，显示它们是很大的Ni-Sn IMC 形式。这些大的结构表明装配回流时焊点处遭受过多的热飘移。过多的、易脆的金属间化合物的出现和由于阻焊层定义的焊盘产生的应力是诱发裂纹的根源，导致焊点失效。没有证据证明流电腐蚀的影响。图22 阻焊层定义焊盘的CSP焊点横截面图。（125倍） 图23 高放大倍数视图显示在板焊盘界面处，裂纹沿大的、IMC形成处的开始繁殖。 （3000倍） 图24从
16、一个大的IMC结构处获得的EDX光谱显示镍和锡。小峰值铂是施加到样件上的涂层。裸板返修经过热风整平工艺（HASL）返修ENIG板的表面已有相当的成功。熔化的焊料比回流的焊料更具有攻击性，通常润湿腐蚀地带并填充裂纹。图25是在HASL涂层后板上焊盘的显微横截面。历史上在ENIG上再进行HASL涂覆的焊点是可靠的。图25. 受到腐蚀的ENIG焊盘在经过HASL返修后的横截面图。腐蚀裂纹被焊料填满。箭头所示Ni-Sn IMC层已形成，表明对镍表层的合适润湿。（5000倍） 结论与焊点失效有关的黑盘在焊盘/焊料交界面处，主要是在镍镀层处有腐蚀现象。本文中展示的各种例子说明镍表层腐蚀的多样性，这种腐蚀是
17、因板在浸金槽中加工而发生的，浸金工艺本身可以证明这一点。我们还展示了焊点失效的各种方式。基本上，镍表层降级削弱焊点强度，使更倾向开裂。本文提供直接、迅速、可重复的方法证实黑盘腐蚀的存在。参考1. Walsh, Mike, “Electroless Nickel Immersion Gold and Black Pad.” CircuiTree, vol. 14, no. 1, pp.10-16, January 2001.2. Biunno, Nicholas “A Root Cause Failure Mechanism for Solder Joint Integrity of ElectrolessNickel/Immersion Gold Surface Finishes.” IPC Printed Circuit Expo, March 99, Long Beach, CA session 18-5-1, pp. 1-9, March 14-19, 1999.