镍腐蚀观察

背景
近年来，随着电子设备线路设计日趋复杂，焊料无铅化的日益严格，促使化学镍金工艺的研究和应用越来越受到重视并取得了新的发展。由于铜和镍具有优异的导电、导热、耐蚀性能,易于加工成型等优点，近年来在国民经济中的应用越来越广泛，但由于受到各种因素的影响, 化学镍金工艺也有难以克服的问题，镍腐蚀就是其中之一。关于镍腐蚀问题，国内外同行都做了许多方面的研究，尽管对镍腐蚀控制取得长足的进步，然而对此问题的认识、理解依旧存在着较大的分歧，实际生产中镍腐蚀问题仍是难以根除。
 

1．镍腐蚀现象及其危害
镍腐蚀的生成主要是因为在浸金过程中，镍层表面遭受过度氧化反应。大体积的金原子不规则沉积，及其粗糙晶粒稀松多孔，造成镍层持续发生『化学电池效应』，使得镍层不断发生氧化。
目前国内外权威机构对镍腐蚀均没有明确的控制标准，当前在实际生产控制中，镍腐蚀其实是一直存在的（镍腐蚀可能是1/3、2/3的镀层厚度）。镍腐蚀现象由轻微到严重，较轻微的镍腐蚀在镍的晶界附近发生钉状的镍腐蚀穿透，较严重的镍腐蚀则是在镍表面发生了大面积的镍腐蚀穿透，严重者则导致“黑PAD”的出现，还可能会阻止焊点的润湿，使焊点容易从镍表面分开，严重影响PCB的可靠性。

2．观察图片与测试
（1）样品预处理：

（2）测试图片
 

图1.样品外观图片
 

 
图2.样品剥金后SEM测试图片（25X~5000X）

使用剥金溶液将样品表面的金层溶解，使用扫描电镜观察表面形貌，发现表面严重龟裂（可能是延伸到金面的镍表面的腐蚀裂纹），而裂痕主要沿着晶界扩散。

（3）磷含量测试

（4）镍腐蚀深度测量
  

Au层是抗氧化层，利用Au不易氧化的特性，对电路提供良好的传导及保护。
Ni-P层是防扩散层，N i层是提供Cu、Au之间的缓冲层，避免Cu和Au互相扩散或迁移。
Cu层是基材内部的传导线路
通过观察切片样品，可知沿着晶界往Ni-P层的内部发生氧化，形成较严重的镍腐蚀。

（5）磷含量对比

Spectrum C O P Ni Total
谱图1 4.66 1.38 12.91 81.05 100.00
谱图2 2.24 1.27 10.12 86.38 100.00

由EDS结果可知，镍腐蚀处的P含量高于镀层P含量，且镀层P含量在正常范围内(7~11wt%)。

3. 影响镍腐蚀的因素
一般的情况下，产生镍腐蚀主要由于镍磷合金层中磷的含量偏低，使得整个磷镍合金层在后面的浸金过程中抗腐蚀能力偏低，最终在浸金时产生镍腐蚀。第二种情况是镍缸中有杂质的污染，使得镍磷合金层发生变化导致抗腐蚀能力下降，比如有机污染（绿油后烘不良析出）、硝酸根离子等。

4. 结论
镍腐蚀问题直至影响到焊盘的润湿性能、焊接性能，改善化学镀金的平整性仍然是PCB板的发展重点。这需要重视对镍腐蚀水平的控制，有待于加紧制定针对镍腐蚀测试的行业、乃至国际标准。

5. 参考标准
IPC-TM-650 2.1.1   手动微切片法
GB/T 17359-2012    微束分析 能谱法定量分析
JB/T 7503-1994     金属履盖层横截面厚度扫描电镜测量方法

作者简介：
MTT（美信检测）是一家从事材料及零部件品质检验、鉴定、认证及失效分析服务的第三方实验室，网址：www.mttlab.com，联系电话：400-850-4050。