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。

 

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。

 

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。

 

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）。

 

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

 

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