第一组：黑盘的机理及预防措施

1、“黑盘”机理及预防措施黄阿慧（组长、主讲）1200150201 段泓舟（PPT制作）1200150210黄丽香（论文整合）1200150102梁远游 1200150217马山慧 1200150204刘芯豪 1200150219START 目录01黑盘现象的概念03黑盘形成的机理02黑盘缺陷的特征04黑盘失效机理07黑盘主要测试方法介绍05黑盘的失效模式06黑盘的预防措施一、黑盘现象的概念化学镀镍金工艺一般是在铜焊盘上进行化学镀镍，通过控制时间和温度来控制镀镍层厚度，再将镀镍的焊盘浸入金水中，通过化学置换反应将金从溶液中置换到焊盘表面，有部分的镍则溶入金水中，但置换上来的金将镀镍层覆盖，置换反应

2、就会自动停止。最后清洗，这是金层的厚度大约只有0.05微米，这层薄薄的金对镀镍层起着保护作用，一旦保护不了镍，导致腐蚀被氧化了或被金水过度浸蚀，这样就形成了黑盘现象。正文正文1、在印制板表面的镀镍层被过度腐蚀造成黑盘2、浸金对镍的粘附力减弱3、浸金的厚度大于0.12微米4、在氰化物剥离金之后某些焊盘会显示很严重的黑泥状裂缝二、黑盘缺陷的特征1、在印制板表面的镀镍层被过度腐蚀造成黑盘2、浸金对镍的粘附力减弱3、浸金的厚度大于0.12微米4、在氰化物剥离金之后某些焊盘会显示很严重的黑泥状裂缝正文 第二脆化机理是指由于Ni3Sn4的增加引起P富集，在Ni与Ni3Sn4之间形成Ni3P层Ni3P层和N

3、i3Sn4层之间生成一种结合力很弱的三元相NiPSn。焊接时Au全部熔于钎料中，钎料直接与Ni接触发生氧化反应，焊点就附着在氧化的Ni表面，受到冲击时焊点易发生失效。 第一脆化机理是指在浸金过程中，由于过度腐蚀而使Ni(P) 表面缺乏可焊性，但也包括不同合金或合金化合物在界面附近产生的作用，反映在接点焊盘或附近出现明显的脆弱性，降低机械耐疲劳强度。根据这种机理，看上去很完美的金属间化合物结构会随着时间的推移而退化。三、黑盘形成机理第一失效机理：是指在“浸金”过程中, 由于过度腐蚀而使Ni(P)表面缺乏可焊性, 但也包括不同合金或合金化合物在界面附近产生的作用, 反映在接点焊盘或附近出现明显的脆

4、弱性, 降低机械耐疲劳强度。根据这种机理, 看上去很完美的金属间化合物结构会随着时间的推移而退化。在化镍金过程中会产生镍的氧化物，而镍的氧化物在未能全部水解之前即被Au层所覆盖, 最终只好以“黑盘”形式附着于Au层之下, 出现反润湿现象。四、黑盘失效机理正文第二种失效机理：黑盘”现象与焊点的脆化有关, 涉及了许多发生在Ni(P)/Ni3Sn4 界面或附近的焊点断裂现象。第二失效机理是指由于Ni3 Sn4 的增加引起P富集,在Ni层与Ni3Sn4 层之间形成Ni3P层, 如图4所示,并在Ni3 P层和Ni3 Sn4 层之间生成一种结合力很弱的三元相NiPSn或Ni3 Sn2 。图描述了“黑盘”现

5、象产生过程, 焊接时Au全部熔于钎料中, 钎料直接与Ni接触发生氧化反应, 焊点就附着在氧化的Ni表面, 受到冲击时焊点易发生失效。五、黑盘的失效模式此种失效主要发生在镍层表面已被严重腐蚀的情况。由于此种镍锈一般无法被助焊剂清除，在元器件焊接后，焊料无法与焊盘形成良性IMC。即使勉强将零件脚焊接在有问题的沉金焊垫上，由于并未形成良性IMC，也是一拉就掉的假焊或冷焊，所以此种类型的失效多在返修或跌落测试时发现。镍金PCB焊接后会在IMC与镍层之间形成富磷层。富磷层的形成可分为2个阶段，第一阶段是当化镍表面进入浸金槽液中进行置换金反应时，镍层表面的Ni原子会被氧化成为Ni+而溶解出走，因而造成靠近

6、金层位置的镍层磷含量增加；第二阶段主要是焊接后，在焊接接口位置磷含量的再度增加。焊点断裂强度低，断口表面非常平整。脆性断裂并不完全是由于富P层造成的，事实上，化学镀镍时适当提高P含量还可提高耐蚀性，只有当富P层的厚度超过一定厚度时，才可能引发焊接失效。如果在镍球的瘤沟位置有过多金水攻击导致的镍腐蚀黑刺形成，即使镍球表面未被腐蚀，可焊性测试表明焊料也已经润湿焊盘，但镍球球沟位置仍会因为镍腐蚀黑刺导致不可焊，形成焊点微空洞。此时当金属间化合物下的镍腐蚀裂纹释放应力时，会沿着这些微空洞向IMC层扩展，使脆性IMC破碎、分离最终导致焊点失效，这个结论可以由断裂表面两侧均有金属间化合物的痕迹来证实。当镍

7、腐蚀严重时焊点失效也可能是从龟裂裂纹开始，然后是Ni-Sn金属间化合物的破碎。失效模式一：焊料与镍层断开失效模式二： IMC与Ni（P）层断开失效模式三：IMC层发生脆性断裂正文正文六、黑盘的预防措施短期解决措施：在工艺允许范围内减小热偏移减少回流焊工艺液相线以上时间（TAL）21降低回流焊工艺峰值温度二次回流焊工艺中再次减少峰值温度和液相线以上时间（TAL）减少波峰焊工艺热参数和停留时间降低镀层表面存在的裂缝和水分镀镍后及时清洗酸性镀液，防止长时间镍被腐蚀长期解决措施：控制ENIG镀层控制EN层P含量，一般为78wt%以实现良好的抗腐蚀性控制EN层厚度，一般为5um。如果EN层较薄，钎料和E

8、N层间的反应导致Kirkendall孔洞产生，从而使界面强度下降，影响焊点可靠性减小镀槽内金属污染，比如Ni的污染需控制在500ppm以下维持供应商提供的镀层参数，控制镀槽内pH值，化学成分及温度，pH值一般为34沉淀Au层时保证镀槽内最小限度腐蚀性的中性金浴槽增加一些添加剂析出在晶粒边界，影响晶粒度和孔隙防止过渡氧化预防措施正文六、黑盘的主要测试方法测试方法镍层耐硝酸测试IMC测试可焊性测试金层疏孔度测试拉脱测试镍腐蚀测试123456正文1. 可焊性测试试验结果表明，当有严重黑盘时，可焊性测试表明焊料仍可润湿焊盘，但焊料可能只是覆盖在焊盘表面，并未形成有效焊接。如图8（a） 所示焊点焊料与镍

9、层之间无IMC形成，仅点状相连，存在很多空洞见图8（b）空洞放大图，这样的焊接当然毫无强度可言。根据大量的试验结果发现，可焊性测试通常只能发现特别严重的黑盘。如图8（c）的SMT脚，外观上看金面明显发红，胶带剥金后露出严重黑镍，对同块板上未剥金位置做可焊性测试，可观察到明显缩锡。因此不能只根据可焊性来判定黑盘的风险，对于焊点的强度也不能由焊料铺展性试验决定。正文六、黑盘的主要测试方法测试方法镍层耐硝酸测试IMC测试可焊性测试金层疏孔度测试拉脱测试镍腐蚀测试123456正文2. IMC测试黑盘对可焊性有直接不良影响，那么当焊点有IMC形成是否就意味着焊点强度可以得到保障了呢？答案也是否定的，如下

10、图9所示，即使镍层已出现了严重的黑刺，可焊性测试表现为润湿，并且有IMC生成。但此种情况下的焊点强度可想而知将会多么脆弱。正文六、黑盘的主要测试方法测试方法镍层耐硝酸测试IMC测试可焊性测试金层疏孔度测试拉脱测试镍腐蚀测试123456正文3. 拉脱测试由于镍层中存在镍腐蚀，会导致镍层与锡无法形成IMC，导致焊点强度变差，因此可以采用拉脱的测试方法，辅助判断是否存在严重黑盘。其方法是在沉金焊盘上 （最好是圆形测试点）用电烙铁焊接一根电线（注意控制焊接时间），然后用固定的拉力均匀的拉电线，观察其脱落的现象。如果有严重黑焊盘的，会出现2种情况，第一是焊盘无拉出（也有可能是手工操作误差，需进行重复性试

11、验），如图10（a）所示；第二种是焊料与镍层分离，露出黑色焊盘见图10（b）。如果无黑盘的，则是焊盘的铜层与与基材分离见图1（c），即焊盘脱离。正文六、黑盘的主要测试方法测试方法镍层耐硝酸测试IMC测试可焊性测试金层疏孔度测试拉脱测试镍腐蚀测试123456正文4. 镍腐蚀测试当怀疑PCB存在黑盘隐患时，必需再进一步确认镍腐蚀的程度。镍腐蚀测试可分为镍层纵切面的腐蚀深度测试及镍层表面腐蚀广度测试，两种测试方法的对比见下表2。由于氰化物剥金试验具有较大危险性，在实际检测中不太常用，而镍层截面腐蚀测试则在业界应用比较广泛。正文六、黑盘的主要测试方法测试方法镍层耐硝酸测试IMC测试可焊性测试金层疏孔度测试拉脱测试镍腐蚀测试123456正文5. 镍层耐硝酸测试由于黑盘的产生与镍层的耐蚀性差有很大关系，因此此种方法主要是针对制程稳定性进行控制，也就是提高镍层耐腐蚀性能。但由于后续的沉金对镍层的腐蚀有很大的影响，所以此测试通常作为预防之用，以在一定程度上降低黑盘产生几率，但不能杜绝黑盘的产生。正文六、黑盘的主要测试方