PCB“黑盤(pán)”會(huì)給焊點(diǎn)的可靠性帶來(lái)災(zāi)難性影響，造成電子產(chǎn)品的質(zhì)量事故，重則給企業(yè)帶來(lái)巨額損失。而國(guó)內(nèi)電子產(chǎn)品企業(yè)PCB“黑盤(pán)”質(zhì)量事故卻屢見(jiàn)不鮮！

　　PCB“黑盤(pán)”事故為何頻頻發(fā)生？

　　化學(xué)鎳金（ENIG）“黑盤(pán)”的風(fēng)險(xiǎn)又是否可以規(guī)避？

　　在此，云漢電子社區(qū)帶你對(duì)ENIG“黑盤(pán)”一探究竟，本文將為業(yè)界同行揭示PCB“黑盤(pán)”事故的危害、產(chǎn)生機(jī)理及規(guī)避方向。

　　PCB是電子工業(yè)的重要部件之一，幾乎所有的電子設(shè)備，小到日常生活中隨處可見(jiàn)的電子手表、計(jì)算器，大到計(jì)算機(jī)、通訊電子設(shè)備、飛機(jī)、雷達(dá)等，只要有集成電路等電子元器件的電氣互連，就必然會(huì)使用PCB。

　　PCB為什么會(huì)出現(xiàn)“黑盤(pán)”？首先，我們需要了解清楚什么是PCB表面處理，以及目前業(yè)界流行哪些類(lèi)型的PCB表面處理。

　　什么是PCB的表面處理？

　　銅作為PCB內(nèi)外層互連的優(yōu)良導(dǎo)體，具有良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。裸銅本身可焊性很好，但暴露在空氣中很容易氧化和受到污染，而銅的氧化層對(duì)焊接有極大的危害，能導(dǎo)致焊接時(shí)無(wú)法上錫（焊錫性不良），甚至元器件與焊盤(pán)無(wú)法焊接。

　　而PCB的表面處理便是在焊盤(pán)表面和鍍覆孔內(nèi)涂（鍍）覆一層物質(zhì)，確保焊盤(pán)和鍍覆孔不被氧化。這里的“表面”是指PCB上提供給電子元器件與PCB電路之間電氣連接的連接點(diǎn)銅面，如焊盤(pán)或接觸式連接點(diǎn)、電子元器件的插件孔等。

　　通俗地講，表面處理最基本的目的就是保證PCB具有良好的可焊性或電性能，給銅面穿上一層抗氧化和可焊性的“外衣”。以化學(xué)鎳金（ENIG）表面處理為例，經(jīng)過(guò)ENIG前后的焊盤(pán)截面對(duì)比如下圖1所示：

圖1表面處理前后焊盤(pán)截面對(duì)比示意圖

　　當(dāng)前PCB最流行的表面處理是什么？

　　目前業(yè)界有多種PCB表面處理工藝，沒(méi)有哪一種最完美，所以才會(huì)有這么多種選擇，每一種表面處理都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。常見(jiàn)的類(lèi)型有化學(xué)鎳金（ENIG）、熱風(fēng)整平（包括有鉛噴錫HASL、無(wú)鉛噴錫LF-HASL）、有機(jī)抗氧化膜（OSP）、電鍍鎳金、化學(xué)銀（IAg）、化學(xué)錫（ISn）、化學(xué)鎳鈀金（ENEPIG）。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近幾年全球PCB各類(lèi)型表面處理的市場(chǎng)份額如下圖2所示：

圖2近幾年全球PCB各類(lèi)型表面處理的市場(chǎng)份額

　　從圖2中可以明顯看出，當(dāng)前化學(xué)鎳金（ENIG）仍占據(jù)了PCB表面處理市場(chǎng)份額的1/3以上，仍是業(yè)界PCB表面處理的主流，頗受下游客戶青睞，尤其在歐美、日本、韓國(guó)、東南亞國(guó)家及臺(tái)灣地區(qū)其應(yīng)用尤為廣泛。

　　但ENIG也有其自身弱點(diǎn)，尤其對(duì)于含密集QFP/SOP/小PAD或BGA來(lái)說(shuō)（圖3和圖4），若制程管控不好，鎳（Ni）表面會(huì)被腐蝕而出現(xiàn)焊盤(pán)黑化（又稱黑盤(pán)BlackPad、黑鎳、鎳腐蝕）的現(xiàn)象。鎳（Ni）表面過(guò)度腐蝕會(huì)使焊接表面的潤(rùn)濕性和連接性能?chē)?yán)重下降，焊料與被腐蝕的鎳（Ni）表面會(huì)承受較大的應(yīng)力，從而使其與Ni接觸的界面開(kāi)裂破碎而形成黑色的Ni表面，即黑鎳。

　　這里需要特別說(shuō)明一下，為什么往往密集QFP/SOP/小PAD或BGA出現(xiàn)“黑盤(pán)”的風(fēng)險(xiǎn)要高些呢？因?yàn)樵谙嗤乃幩畻l件、設(shè)備條件下，單位面積的金濃度的提供量是基本相同的。相同的浸金時(shí)間下，隨著PAD面積的增大，金厚度越薄。隨著金缸內(nèi)鎳與金置換反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，金厚會(huì)變厚。在金厚要求的基準(zhǔn)下（相同的金厚要求），由于沉金時(shí)大PAD處單位條件下需要的金濃度比小PAD的多，當(dāng)小PAD達(dá)到金厚要求時(shí)，大PAD仍未達(dá)到，所以必須延長(zhǎng)浸金時(shí)間或提高浸金活性（在時(shí)間一定條件下）方能達(dá)到金厚要求，此時(shí)小PAD的金厚是偏厚的，小PAD產(chǎn)生黑盤(pán)的機(jī)率變大。

圖3含密集QFP/SOP/小PAD和BGA的PCB

圖4含密集QFP/SOP/小PAD和BGA的PCB

　　ENIG“黑盤(pán)”猶如PCB焊接工藝中的“隱形”殺手，其產(chǎn)生過(guò)程很隱蔽，從外觀難以被發(fā)現(xiàn)，很容易導(dǎo)致不合格品流入客戶端，一旦“潛伏”，裝配后的PCBA將面臨“全盤(pán)皆輸”的報(bào)廢風(fēng)險(xiǎn)（如元器件焊點(diǎn)強(qiáng)度不足導(dǎo)致功能失效），即便焊接了再昂貴的元器件（如IC）也難逃報(bào)廢厄運(yùn)。這種“隱形”缺陷往往在經(jīng)過(guò)波峰焊或回流焊后也不容易被發(fā)現(xiàn)，而總是在產(chǎn)品流入市場(chǎng)之后才開(kāi)始表現(xiàn)出早期失效，如焊點(diǎn)強(qiáng)度不足導(dǎo)致開(kāi)路，從外觀上看焊點(diǎn)發(fā)黑，很多企業(yè)并不能分析出產(chǎn)品失效的真正原因，而簡(jiǎn)單地認(rèn)為是焊接過(guò)程出現(xiàn)的問(wèn)題。

　　黑盤(pán)”缺陷通常呈現(xiàn)“隱蔽性強(qiáng)、批量大、涉及面廣、返修困難”的特點(diǎn)，一直困擾著國(guó)內(nèi)眾多PCB中小型生產(chǎn)企業(yè)和下游客戶，尤其對(duì)下游客戶的生產(chǎn)造成重大的負(fù)面影響。

　　2013年，國(guó)內(nèi)C公司SMT生產(chǎn)線在批量生產(chǎn)料號(hào)ME08N2013A的PCBA過(guò)程中，過(guò)爐后發(fā)現(xiàn)元件面表面貼和焊接面孔盤(pán)潤(rùn)濕不良，潤(rùn)濕不良區(qū)域的焊盤(pán)發(fā)黑，且部分孔壁上錫不飽滿；因此導(dǎo)致掉器件和焊點(diǎn)強(qiáng)度不足，如下圖5至圖8所示：

　　此時(shí)SMT已批量生產(chǎn)單板數(shù)量412pcs，不良板數(shù)量高達(dá)375pcs，不良率高達(dá)91%。修理難度極大，不良板幾乎全部報(bào)廢。單板PCB為某S公司PCB廠生產(chǎn)。PCBA單板成本（含所有元器件成本和加工成本）為1578美元/pcs。C公司向S公司提出索賠，索賠金額合計(jì)591750美元，折合366.9萬(wàn)元人民幣。因在焊接不良責(zé)任主體方面C公司與S公司爭(zhēng)論無(wú)果，于是雙方同意交由第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)分析焊接不良真因。第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)通過(guò)分析，最終鎖定焊盤(pán)潤(rùn)濕不良的罪魁禍?zhǔn)资荅NIG“黑盤(pán)”。

　　下圖9至圖10為第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)分析結(jié)果。

　　說(shuō)明：IMC是IntermetallicCompound的縮寫(xiě)，介面金屬間化合物，ENIG在焊接過(guò)程中錫和鎳形成的共晶化合物是Ni3Sn4

　　正常焊盤(pán)鎳面SEM和截面SEM照片如下圖11和圖12所示：

　　通過(guò)上文，大家了解清楚了PCB的表面處理，我們現(xiàn)在就可以接著分析“黑盤(pán)”的產(chǎn)生機(jī)理了，以及，最重要的，我們?cè)撊绾我?guī)避“黑盤(pán)”風(fēng)險(xiǎn)。

　　“黑盤(pán)”的產(chǎn)生機(jī)理是什么？

　　ENIG“黑盤(pán)”（BlackPad）的組成成分是氧化鎳（NixOy），其產(chǎn)生的根本原因是鎳表面被過(guò)度氧化（鎳原子氧化為鎳離子），因體積比鎳原子大的金原子的不規(guī)則沉積，形成疏松多孔的晶粒結(jié)構(gòu)，底鎳在“化學(xué)電池效應(yīng)”（又稱“賈凡尼效應(yīng)”）的驅(qū)動(dòng)下而不斷被氧化老化，以致在金面底下產(chǎn)生未能溶走的“鎳銹”累積而成。

　　浸金反應(yīng)機(jī)理：2Au++Ni→2Au+Ni2+。這里為方便理解浸金反應(yīng)及黑盤(pán)產(chǎn)生機(jī)理，以圖13示意如下：

圖13浸金反應(yīng)及黑盤(pán)產(chǎn)生機(jī)理示意圖

　　黑盤(pán)現(xiàn)象主要由以下四個(gè)方面引起：

　?。?）鎳層磷含量太低，鎳膜抗腐蝕性差；磷含量對(duì)化學(xué)鎳磷層的沉積結(jié)構(gòu)和抗腐蝕性有直接影響。大量試驗(yàn)和研究表明，一般使用中磷化學(xué)鍍鎳液，鎳層磷含量控制在6％～9％（中磷）較好；

　　（2）鎳晶粒生長(zhǎng)不均一，晶粒間存在很大裂紋，鎳膜致密性差；

　　（3）浸金時(shí)金鎳置換反應(yīng)加速使得鎳腐蝕加劇，藥水不斷腐蝕鎳表面產(chǎn)生裂紋；

　?。?）ENIG后的PCB長(zhǎng)期暴露于潮濕或惡劣的環(huán)境中鎳層被腐蝕。

　　因Ni-Au層Au層薄、疏松多孔，在潮濕或惡劣的空氣中，Ni為負(fù)極，Au為正極，由于電子遷移產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕（賈凡尼腐蝕），造成鎳面氧化生銹。嚴(yán)重時(shí)，也會(huì)在波峰焊或回流焊后發(fā)生潛在的黑色鎳銹，導(dǎo)致可焊性劣化與焊點(diǎn)強(qiáng)度不足，原因是金面上的助焊劑或酸性物質(zhì)通過(guò)孔隙滲入鎳層。

圖14黑盤(pán)鎳面龜裂SEM圖

　　如何規(guī)避ENIG“黑盤(pán)”風(fēng)險(xiǎn)？

　　規(guī)避ENIG“黑盤(pán)”風(fēng)險(xiǎn)以提升PCB可靠性的探索之路從未止步，業(yè)界也曾摸索出了一些規(guī)避ENIG“黑盤(pán)”風(fēng)險(xiǎn)的方案：

　　早期選擇性化金（ENIG+OSP）工藝曾一度受到熱捧。選擇性化金（ENIG+OSP），顧名思義，即在PCB焊盤(pán)表面，部分區(qū)域選擇性采用ENIG涂覆工藝，其他密集QFP/SOP/小PAD或BGA區(qū)域采用OSP涂覆工藝。但這種工藝也存在一定的弊端，主要表現(xiàn)為：1）工藝流程長(zhǎng)、成本高；2）若ENIG制程管控不好，也同樣存在品質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。

　　還有業(yè)界新發(fā)展起來(lái)的化學(xué)鎳鈀金工藝（ENEPIG）也是一種規(guī)避“黑盤(pán)”風(fēng)險(xiǎn)的方案，但由于其藥水成本高、藥水維護(hù)難度大等原因，目前還沒(méi)有大批量推廣應(yīng)用。

　　ENIG工藝在國(guó)內(nèi)外均被廣泛使用，在國(guó)外PCB“黑盤(pán)”的報(bào)道并不多見(jiàn)，而國(guó)內(nèi)PCB“黑盤(pán)”的質(zhì)量事故則屢見(jiàn)不鮮，以至于人們往往“談虎色變”。

　　國(guó)內(nèi)中小型PCB企業(yè)往往為了節(jié)省成本，亦或者沒(méi)有專(zhuān)業(yè)和系統(tǒng)化的ENIG制程管理知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，長(zhǎng)期疏于對(duì)ENIG“黑盤(pán)”進(jìn)行預(yù)防，如對(duì)ENIG藥水體系的選擇、鍍鎳關(guān)鍵工藝參數(shù)、鎳槽鍍液使用壽命（MTO）、鍍金關(guān)鍵工藝參數(shù)、金槽鍍液使用壽命（MTO）、PCB存放環(huán)境等方面管控不到位，以至于時(shí)有“黑盤(pán)”質(zhì)量事故爆發(fā)，使企業(yè)蒙受巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而至此企業(yè)人員才追悔莫及。

　　作為國(guó)內(nèi)電子行業(yè)領(lǐng)先的技術(shù)服務(wù)平臺(tái)，壯壯優(yōu)選有專(zhuān)業(yè)的PCB質(zhì)量管理專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)，對(duì)PCB“黑盤(pán)”有著豐富的處理經(jīng)驗(yàn)，可為電子企業(yè)提供PCB全方位技術(shù)支持和相關(guān)解決方案：如PCB供應(yīng)商質(zhì)量管理、PCB供應(yīng)商質(zhì)量能力評(píng)估等。如果您的產(chǎn)品遭遇BGA異常失效，或者如果您對(duì)PCB“黑盤(pán)”還有疑惑，還在因PCB“黑盤(pán)”而頭疼不已，歡迎與壯壯優(yōu)選交流。

　　我們認(rèn)為，只有基于專(zhuān)業(yè)的PCB技術(shù)能力和質(zhì)量管理，才能成就一流的PCB品質(zhì)。