Vznik, vlastnosti a negativní účinky „černé podložky“ související s povrchovou úpravou ENIG

ENIG (bezproudové niklování ponořováním do zlata) je jednou z nejběžněji používaných povrchových úprav v moderním průmyslu desek plošných spojů. Mezi její výhody patří: bezolovnaté, snadné pájení, odolnost proti oxidaci, a to i když výrobní náklady jsou vyšší než u jiných přístupů, jako jsou OPS a HASL, přesto se spíše používá na vysoce hodnotné, vysoce husté, vysoce kvalitní desky plošných spojů BGA a deskách plošných spojů splňujících normu RoHS, jako jsou elektronika pro lékařství, chytré telefony, telekomunikace a armádu.

Jednou z vad v okolí ENIGu je černá vrstva, nazývaná také vrstva bohatá na fosfor. Obvykle se projevuje jako tmavé skvrny na vrstvě niklu pod zlatem. Tyto skvrny jsou způsobeny korozí niklu. Níže je uveden její vznik, vlastnosti a negativní účinky:

I. Tvorba černých vrstev/vrstev bohatých na fosfor

Vrstvy bohaté na fosfor se tvoří hlavně během dvou kroků procesu bezproudové niklování a ponořování zlata (ENIG):

1. Proces bezproudového niklování (tvorba vrstvy Ni-P):

V procesu ENIG není povrch nanesený na pokovovací destičky z čistého niklu, ale ze slitiny niklu a fosforu. Redukční činidlo v pokovovací lázni (například hypofosfan sodný) redukuje a ukládá ionty niklu za katalýzy, zatímco fosfor (P) se také společně ukládá do povlaku. Na základě obsahu fosforu lze povlak rozdělit na povlaky s nízkým obsahem fosforu (2–5 %), se středním obsahem fosforu (6–9 %) a s vysokým obsahem fosforu (> 10 %). V ENIG se běžně používají povlaky se středním obsahem fosforu.

2. Imerzní zlato (vedoucí k obohacení fosforem):

● Imerzní zlato se provádí po niklování. Imerzní zlato je chemická vytěsňovací reakce: ionty zlata vytlačují atomy niklu z povrchu niklové vrstvy v pokovovací lázni, atomy niklu se rozpouštějí v roztoku zlata a atomy zlata se ukládají na povrchu niklové vrstvy.

● Tato vytěsňovací reakce selektivně koroduje vrstvu niklu; atomy niklu se selektivně rozpouštějí, zatímco atomy fosforu se reakce neúčastní a nerozpouštějí se v roztoku zlata.

● Během procesu ponořování do zlata se proto atomy niklu na povrchu niklové vrstvy neustále rozpouštějí a zanechávají atomy fosforu. To vytváří extrémně tenkou vrstvu na vrcholu niklové vrstvy s koncentrací fosforu mnohem vyšší než v objemové vrstvě niklu – jedná se o „vrstvu bohatou na fosfor“. Obsah fosforu v ní může dosahovat až 20 % (atomové procento) nebo více.

Stručně řečeno: Vrstva bohatá na fosfor je produktem selektivní koroze a rozpouštění niklu během imerzního procesu ENIG do zlata, což vede ke zbytkovým a obohaceným atomům fosforu na rozhraní nikl-zlato.

II. Charakteristika vrstvy bohaté na fosfor

1. Chemické složení: Hlavními složkami jsou fosfor (P) a určité množství niklu (Ni), které se pravděpodobně vyskytují jako amorfní sloučeniny niklu a fosforu (jako je Ni3P).

2. Morfologie a tloušťka: Velmi tenká, obvykle jen desítky až stovky nanometrů (nm), nacházející se na rozhraní mezi vrstvou niklu (Ni-P) a vrstvou zlata (Au), pod elektronovým mikroskopem se jeví jako jasná, tenká linie.

3. Fyzikální vlastnosti: Vysoký měrný odpor, jeho nejdůležitější charakteristika a hlavní důvod jeho nepříznivého vlivu na výkon desky plošných spojů: Měrný odpor vrstvy bohaté na fosfor je mnohem vyšší než odpor kovového niklu a zlata, což z ní činí špatný vodič elektřiny.

III. Nepříznivé účinky vrstvy bohaté na fosfor na spolehlivost pájení:

1. Vada „černé podložky“: Toto je nejzávažnější vada kvality způsobená vrstvou bohatou na fosfor. Pokud je proces ponoření zlata mimo kontrolu (např. příliš dlouhý, příliš aktivní zlatý roztok), vede to k nadměrné korozi a vytváří se nadměrně silná, souvislá vrstva bohatá na fosfor. Během pájení, po rozpuštění povrchové vrstvy zlata, se pájka setkává s vrstvou bohatou na fosfor s vysokým odporem, ale nikoli s vrstvou niklu.

2. Špatná pájitelnost a pájené spoje za studena: Pájka nemůže vytvořit účinnou metalurgickou vazbu s vrstvou bohatou na fosfor s vysokým odporem (obtížně vytváří dobrou intermetalickou vazbu Ni3Sn4), což má za následek špatné smáčení pájeného spoje, pájené spoje za studena a extrémně nízkou pevnost spoje.

3. Slabý pájený spoj: I když se pájený spoj vytvoří, mezifázové spojení je velmi slabé a má tendenci praskat od vrstvy bohaté na fosfor, pokud je vystavena mechanickému tlaku nebo tepelnému šoku.

Společnost Benlida je technickým expertem ve výrobě desek plošných spojů již 14 let. Díky dlouholeté optimalizaci procesů a technickým vylepšením se odborně vyhýbá vzniku defektu „černé podložky“ u systémů ENIG. Společnost Benlida se spoléhá na profesionální vybavení a tým inženýrů a odborníků na kvalitu a poskytuje také analytické služby a řešení:

● Vysoce rozlišovací skenovací elektronová mikroskopie a energeticky disperzní spektroskopie, průřezová analýza pájecích plošek, jasně pozorují přítomnost, tloušťku a kontinuitu vrstvy bohaté na fosfor, a proto přesně analyzují prvky a faktory tvorby a poskytují data pro analýzu procesu.

● Analýza vady „černé plošky“: Pokud se u pájených spojů vyskytnou problémy, jako je nesmáčení, špatné pájení nebo nedostatečná pevnost, náš tým pro kvalitu analyzuje pomocí mikrostrukturální analýzy příčiny selhání způsobené vadou „černé plošky“ v důsledku vrstvy bohaté na fosfor, a tím přesně určuje hlavní příčinu problému.

● Optimalizace procesu: Porovnáním a analýzou podmínek rozhraní za různých parametrů procesu niklování/ponořování zlata pomáháme zákazníkům optimalizovat proces ENIG, bránit nadměrnému růstu vrstvy bohaté na fosfor a zlepšovat výtěžnost a spolehlivost pájení přímo ze zdroje.

● Komplexní testování spolehlivosti: Provádíme testy spolehlivosti, jako jsou teplotní cykly a testování při vysokých teplotách/vysoké vlhkosti, abychom posoudili dlouhodobou spolehlivost pájených spojů a vyhodnotili potenciální rizika způsobená vadami.

Pokud se váš projekt setká s problémy, jako jsou černé kontaktní plošky, špatný vzhled, uvolnění pájecích plošek, špatný vzhled, špatné pájení nebo praskání pájených spojů, související s povrchovou úpravou ENIG, kontaktujte prosím společnost Benlida a dozvíte se více o našich výrobních procesech a kontrole kvality. Na podporu našich zákazníků nabízíme konkurenceschopné ceny a konzultační služby. Díky profesionálnímu výrobnímu závodu, inženýrům a technikům kvality vám společnost Benlida ráda vyrobí kvalitní desky plošných spojů!