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锐德热力:秒懂回流焊 11

十二月 21, 2022 | Sky News
锐德热力:秒懂回流焊 11

2.5.1 黑盘效应

化学镀镍/浸金表面的腐蚀就是通常所说的黑盘效应。这个名称源自于这种腐蚀的特殊外观——焊盘表面灰黑色的区域,这些区域很难焊接,在某些情况下甚至不能焊接。黑盘效应通常会导致焊点机械强度下降,有时还会由于焊点与焊盘分离而导致完全失效。

黑盘可能造成灾难性的后果,因为在组装印刷电路板前无法通过简单的外观检查发现缺陷,而且在焊接未润湿的焊盘时,最初形成的焊点正常。除非进行电路内测试或印刷电路板在现场发生故障时,才会发现缺陷。通常只有少数印刷电路板的焊盘会出现黑盘效应。

黑盘效应可根据镍表面异常厚的高含磷量镀层来判断。显微图中所示的大部分失效是由于镍-锡金属间区域 (Ni/Sn IMZ) 与镍镀层 (EN) 之间连接断开所导致。在某些情况下,失效是由于镍—锡金属间区域与镍镀层之间含磷量较高的灰—黑色镀层所导致,而不是由于明显的连接断开。

出现黑盘效应的化学镀镍浸金表面在电子显微镜下呈现鳞片状外观,令人联想到一滩泥干燥后的样子,因此称为“泥裂表面”(见图 2.42a)。根据 Mei 等人 [2.34]的研究结果,这种鳞片状外观是由于镀金过程中镍层受到电化腐蚀所导致。与此相对照的是图 2.42b 所示的无缺陷的镍表面。

 

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图 2.42a:黑盘的鳞片状表面,7000 Power 图 2.42b:无缺陷镍表面扫描电镜图像

 

若采用非电解方式将镍层镀到铜表面,磷也会通过化学作用而融入到镍层中。磷含量一般为 7% 到 11%。

根据 Biunno [2.36] 的研究结果,如果镍镀层中的磷过少,镀层的耐酸腐蚀性就会很低。因此,在镀金过程中,过多的镍会溶解在酸性的金浸镀液中,并在金层下面形成一层富含磷的镀层。如果镍层厚度小于3 μm 且磷含量小于 6%,镍层就会更容易受到腐蚀。

不过,如果镍镀层的含磷量过高,虽然可以达到可焊表面要求,但其耐热机械应力性能会降低。这是因为磷在焊接过程中不参与金属间相(在本例中为镍锡金属间相)的形成,这样会导致磷在镍层表面积聚。根据 Champaign 等人 [2.37] 的检测,这种镀层在黑盘区域的含磷量为 17.4%(重量比),而在未受影响的镍镀层中的含磷量为 0.74%(重量比)。这些结果也证实了 Bulwith 等人 [2.38] 所进行的能量色散谱测量,如图 2.43 所示。每承受一次额外的热应力(例如在再流焊或波峰焊过程中),这一镀层就会进一步增长,同时机械强度会进一步降低。

 

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图 2.43:各元素在黑盘区域内的分布,[2.38] 对球栅阵列焊球进行检测的示意图

 

黑盘效应是由 Snugovsky 等人 [2.39] 在进行锡铅焊接和无铅焊接后观察到的。特别是对于极厚的浸镀金层(0.18 至 0.37 μm),发现镍层被高度腐蚀。在显微镜下,经常能够观察到所谓的“蚀刺”(见图 2.44),它们贯穿整个镍层并达到金层。这些蚀刺提供了能够使焊料直接与铜基材接触的途径,并使铜-锡金属间相得以形成。

 

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图 2.44:镍镀层中的蚀刺(金刺)

 

在受到腐蚀的镍镀层中形成富镍金属间相,并产生 Ni3Sn 相和 Ni3P 相的混合物。同时,在邻近焊料的边界层形成 Me3Sn4 相(Ni3Sn4(Au、Ni)Sn4、(Ni、Cu)3Sn4)。富镍相与(金属)3Sn4相之间的附着力较小,导致边界层处极易出现裂纹(见图 2.45)。

 

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图 2.45:球栅阵列焊球从焊盘分离

 

升高再流焊温度不能防止黑盘的形成。可采取哪些中期措施避免因黑盘效应导致的失效?

 - 最佳的建议是拒收交付的生产批次的印刷电路板

 - 不建议采用大幅缩短液相线以上的时间并降低最高焊接温度的方法

从长远来看,印刷电路板制造商必须采取措施,在生产化学镀镍浸金表面时,更好地控制浸镀参数(磷含量、pH 值等)。除了严密监视浸镀液外,Schmidt [2.33]还建议将浸镀液使用时间限制在 6 次 MTO(金属浸镀次数)以下。镍层的磷含量应达到 8% 到 10% 左右,金层厚度应为 80 到 150 nm。

 

来源:Rehm

 

标签:
#EMS  #制造工艺与管理  #锐德热力  #回流焊  #黑盘效应 


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