PCB镍腐蚀失效分析

 

引言

 

化学镍钯金（ENEPIG）表面处理工艺被称为“万能涂层”。其可焊性能优异、镀层平整度高、可防止黑盘问题等优势成为当下PCB表面处理工艺的极佳选择。然而镍钯金工艺成本高昂，且不可返工，一旦发生失效，其损失也使得一般企业难以承担。

 

本文以PCB镍腐蚀失效分析为例，通过形貌观察、表面分析、切片分析等方法，分析其失效机理，并提出改善建议。

 

一、案例背景

 

PCB（表面处理方式为镍钯金）SMT 制程后超声键合出现打不上线问题，表现为镍层和钯层分离。

 

二、分析过程

 

1. 外观检查

利用体式显微镜对失效样品及正常样品键合点位置进行外观检查，结果如图1所示。

发现失效样品有键合不良现象，且失效位置不固定（红色箭头所指）。失效焊盘呈现不同程度发黑现象。正常样品键合完好，未发现明显异常现象。

 

图1. 失效样品及正常样品键合点外观检查照片

 

2. 表面分析

为了进一步观察失效焊盘表面微观形貌及确认焊盘表面成分信息，对失效品及正常品焊盘表面进行形貌观察及成分分析，结果如图2-3及表1-2所示。

分析结果显示：

①失效焊盘表面明显发现镀层脱落现象，成分测试结果显示，脱落位置未探测出Au及Pd元素，表明脱落镀层为金、钯镀层，即失效焊盘表现为镍钯层分离；

②失效焊盘表面放大后，明显发现裂纹现象，而正常样品焊盘未发现裂纹现象；

③成分测试结果显示，失效品焊盘较正常品焊盘，未发现明显异常元素存在，初步排除污染对焊盘键合不良的影响。

 

图2. NG#1不良焊盘表面SEM图片及EDS能谱图

 

表1. NG#1不良焊盘表面成分测试结果（wt.%）

 

图3. OK焊盘表面SEM图片及EDS能谱图

 

表2. OK焊盘表面成分测试结果（wt.%）

 

3. 剖面分析

为了观察失效样品及正常样品焊盘镀层形貌及成分状况，对失效样品NG#1及正常样品OK焊盘进行切片+CP处理后，对截面进行SEM+EDS分析，结果如下。

失效样品（NG#1）：如图4及表3所示，测试结果显示：①键合脱落位置，明显发现钯层脱落现象，与表面分析结果一致；②脱落焊盘明显发现连续性镍腐蚀现象，同时发现镍表层存在较多裂纹分布，镍、钯层之间存在界面分层或界面间隙现象，成分分析结果显示，镍表层腐蚀位置O含量偏高，进一步证明镍腐蚀的发生；③镍镀层P含量为6.8%wt。

 

图4. 失效样品切片后SEM图片及EDS能谱图

 

表3. 失效样品切片后成分测试结果（wt.%）

 

正常样品（OK）：如图5及表4所示，测试结果显示：①焊盘未发现明显镍腐蚀现象，局部位置存在镀层开裂现象；②镍、钯界面结合紧密，未发现界面分层或界面间隙等现象；③镍层P含量为7.4%wt。

 

图5. 正常样品切片后SEM图片及EDS能谱图

 

表4.正常样品切片后成分测试结果（wt.%）

 

以上结果可知，失效样品键合不良焊盘及键合外观正常焊盘，镍表层都存在较多裂纹现象、镍表层氧含量偏高现象。键合不良焊盘局部区域存在连续镍腐蚀现象。镍腐蚀导致镍钯界面出现界面间隙甚至界面分层现象，最终导致键合过程中镍钯界面结合力弱而出现钯层脱落现象。

 

4. 非键合位置镀层观察

为了确认失效焊盘镀层异常是否与键合工艺相关，对非键合区域镀层剖面后进行对比分析，结果如图6所示。

对于非键合区域，失效样品局部位置同样发现严重镍腐蚀现象，正常样品相应位置镀层未发现镍腐蚀现象，但局部位置同样发现镀层裂纹现象。非键合区域镀层状况与键合区域类似，故焊盘镀层异常与键合工艺无关。

 

图6. 失效样品及正常样品远离键合位置镀层形貌对比

 

5. 镀层厚度测量分析

为了确认焊盘镀层（Ni、Pd、Au）厚度是否满足客户要求，对失效样品及正常样品，分别利用XRF及切片法对镀层厚度进行测量分析。

 

5.1 XRF测量法

如表5所示，失效样品及正常样品，焊盘金、钯镀层厚度无明显差异，都在委托方标准要求内。NG样品（#2）两处测试位置及OK样品一测试位置，镍层厚度不符合委托方标准要求，低于委托方标准下限。

 

图7. 焊盘镀层厚度测量样品及位置

 

表5. 焊盘镀层厚度测量结果

备注：1、校准器为φ0.05mm，测量时间为30s；2、所给结果为五点平均值。

 

5.2 切片法 （Cross section+ CP）

如表6所示，失效样品及正常样品，金、镍镀层厚度都满足委托方标准要求。失效样品的钯层厚度明显低于正常样品，其中失效样品NG#1钯层厚度不符合委托方标准要求。

 

图8. 焊盘镀层厚度测量样品及位置（切片法）

 

表6. 焊盘镀层厚度测量结果（切片法）

 

三、总结分析

 

通过对失效样品及正常样品键合点位置进行表面及剖面对比分析，结果显示：失效样品键合不良焊盘及键合外观正常焊盘，都存在镍腐蚀现象，表现为镍表层分布较多裂纹、镍表层氧含量偏高现象、镍钯界面出现界面间隙甚至界面分层现象。正常样品焊盘除发现局部位置镀层裂纹现象外，镍钯界面结合完好，未发现明显镍腐蚀特征。

 

通过对失效样品及正常样品远离键合区域镀层切片后观察，其镀层状况与键合区域相同，排除键合工艺不良对镀层异常的影响。

 

镀层厚度测量分析结果显示，失效样品钯层厚度明显低于正常样品，个别失效样品钯层厚度低于相关标准要求。

 

四、结论与建议

 

综上所述，PCB焊盘键合失效的原因为：失效样品焊盘局部位置镍镀层存在严重镍腐蚀现象（连续镍腐蚀），导致镍钯界面出现间隙甚至分层现象，弱化了镍钯界面结合力，最终导致键合过程中钯层脱落而出现键合不良。

 

建议：

严格管控ENEPIG工艺参数，避免镍层出现异常。

 

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