电路板焊点（一）化镍浸金(ENIG)皮膜的测试

工作环境对电子产品的某些功能如按键或开关等，其外露金属皮膜区域的可靠度，将会对产品带来某些程度的影响。由于此等区域并无绿漆或其它封胶类所保护，因而必须靠其本身能力以抵抗所处的腐蚀环境，例如高湿或污染性气体等。板面各种互连点遭到腐蚀后可能会导致断路或短路，对整体组装成品而言，电路板最终皮膜已成为重要的课题。就长期可靠度而言，该等皮膜还可做为金属相互扩散的屏障层，以保护底铜垫在高温中不致氧化。电路板加工-焊接后铜面所生成的介金属（IMC），对于介面间所出现热胀系数（CTE）之不匹配（Mismatchs ），也可扮演一种缓衝的角色，而不致造成硅晶片的拉裂。但此种IMC其本身最好也不要具有脆性（Brittleness）而使得銲点强度会更好。

一 、电路板测试之一化镍浸金(ENIG)皮膜的测试

就ENIG皮膜之銲点强度而言，本文就其可靠度测试的变数将包括：化镍层的厚度〈分别是3μm与6μm)、浸金层厚度〈分别是0.06μm与0.14μm)、以及磷含量的不同等。本文中所指的"中磷"其含磷的重量比是在7-9wt%之间，"高磷"另为9.5-13 wt%。由于高磷镍层的抗蚀性较强，因而会减慢黄金层置换沉积的速率，以致常规操作参数下将无法达到0.06μm的厚度。

ENIG皮膜上銲点的形成，是黄金层会迅速溶入（Dissolve）高温的液锡中，而銲点基础的IMC(Ni3Sn4)则是生长在底层磷镍合金的基地上。銲点强度会受到IMC本身性质的影响，这早已是众所週知的事实。也就是必须备有均匀与密实的IMC，其銲点才会呈现良好的展性(Ductile)而非脆性。

二、试验过程的说明

取BGA封装载板为试验样板，分别製备不同厚度与不同磷含量的ENIG皮膜，并利用X萤光仪(XRF)与扫描式电子显微镜(SEM)针对微切片再进行检测，然后又进行"推锡球剪力试验"，且分两阶段进行：

第一阶段：试验用载板其焊垫表面绿漆设限(SMD)之开口直径为600μm ，所植著锡球（Sn/Pb)的直径为760μm，并以不同磷含量的ENIG皮膜来比较銲点介面的脆性化。

第二阶段：另採直径为760μm的锡银铜(SAC)无铅锡球，也同样採用开口直径为600μm绿漆设限的焊点进行植球。然后再进行1000次温度循环（-55℃到125℃），过程中之高低温停留时间均为15分钟，环境转换则仅需3秒钟，然后比较不同磷含量的脆裂行为。銲点强度是以Dage PC2400式剪力仪进行推锡球之试验。

同时也进行两种打线与随后的拉力强度试验：

铝线拉力：是针对不同磷含量的ENIG，就其原本收到状态与150℃轫化4小时后，等两种情况进行拉力对比。

金线拉力：就不同磷含量的ENIG皮膜，与电镀镍金皮膜进行对比。

上述铝线是採用Heraeus公司之产品，含1%硅，而直径为32μm的铝线。至于金线则亦为该公司之产品，是一种直径30μm的Au-Beta金线。所用的拉力机则仍为Date BT 2400PC之机种，并备有可拉起打线的特殊钩子，还可纪绿下所使用的最大力量，以及显微观察裂口处情况以找出失效模式的显微镜。

三、电路板测试之二锡球剪力试验

此即BGA载板生产者与封装者常用的推球剪力试验，其植球垫为"之绿漆设限（SMD)方式，此种做法可使得铜垫自基板上被拉脱浮离的机会，要比PCB板面"非绿漆设限"（NSMD)者要来得较小，如图1所示。

图1、左为绿漆设限的植球垫。右为非绿漆设限或全铜设限之焊球垫

针对銲点所施加的推力，一旦当銲点强度较强时，甚至会造成铜垫自基材板面的浮离，或造成IMC处的断裂，或任何介面间的其他裂口（见图3）。

将BGA锡球以模拟植球方式使之焊接在SMD焊垫上，然后用Dage PC2400去进行推球试验。下图2即为试验所呈现的推力与球脚銲点 变形的对应图。当图中的曲线出现平缓下降时，即表示被推后的变形是属于球体本身的"展性"塑变之良性断裂，若曲线呈现急速下降者即表示已发生“脆性”的不良断裂。

图2、推锡球剪力试验的示意图与SEM对组织就其展性与脆性的显示画面。

由各种强力推裂球体的结果来进行失效分析（见图4)，通常可将开裂模式区分为展性的开裂（即图3中的Model)与铜垫自基板上浮离（Mode4)等两种与焊接强度无关的良性开裂，以及銲点强度不足而在IMC处开裂的"脆性"不良裂口等。

图3、经推球剪力试验后，对各种开裂位置的分类说明

（一）、第一阶段：ENIG皮膜厚度对銲点强度的影响

下图4即为一系列推球剪力试验的结果整理，其皮膜中化镍层的含磷量分别是7-9wt%以及9.5-13wt%。化镍层厚度平均分佈在3.2-6.1μm之间，而浸金层之厚度则在0.06-0.15μm之间。

试样中金层较薄者（0.06-0.07μm）其主要开裂的位置多集中在Mode 4的铜垫浮离〈表示銲点强度很好）。不过中磷镍（7-9wt%）而厚度又较薄者，其开裂中已出现少数Mode 3的不良裂口 ，但在高磷镍层中却未发现此等不良。但当金层较厚(＞0.11μm)，则不管镍层厚度如何，发生于镍层与IMC层介面间的不良开裂，其数量均呈现相对性的多数。至于高磷镍层(9.5-13wt%）无论其厚度如何，只要金层较薄者（0.06μm）均未发现脆性之不良开裂。

图4、在开口直径为600μm的SMD焊垫上，对其化镍浸金层所测到的开裂情形

（二）、第二阶段：ENIG不同磷含量对銲点强度的影辔

此阶段的硏究系针对銲点经热循环（TC)后再检查其銲点强度，以及瞭解热循环前后在IMC方面的变化等，现分述于后：

（1）、热循环（TC)之前

下图5为热循环前对锡球推力与銲点变形伸长之对应图，其中5μm镍层厚度之含磷量为8．0 wt% ，金层厚度为0.8μm。此种皮膜所形成銲点之剪应力变化过程，是当推力上升到高点后即呈现平缓的下降，也就是銲点在抵抗强推中呈现良好的展性（或塑性）变形。至于高磷者（11.2 wt%）其'推力与伸长"的对应曲线也出现类似的良好曲线，说明此等銲点强度都很好。

图5、銲点热循环之前，镍层厚度5μm（8.0 wt%）搭配金层厚度0.08μm者，所呈现推球试验之结果。

（2）、热循环（TC)之后

上述ENIG皮膜的试样其銲点经热循环后，所呈现'推力与伸长'的对应图中，也出现良性平坦缓降的曲线。其等銲点强度之推力变化是在5-16N之间。所执行的热循环试验是在-55℃/+125℃之间共做了1000次。

至于5μm厚高磷镍〈11.2wt%〉搭配0.05μm金层的试样，其銲点经热循环后，其"推力与伸长"曲线图的变化也不大。所用之推力则集中在11-1损之间，且到达推力最高数値后也呈现平坦的缓降，说明了銲点也现了良好的展性变形。

銲点经热循环与推球试验后，对中磷试样的开裂硏究还做了微切片的观察，确实发现裂口是非常接近IMC层的不良脆裂。但就高磷銲点的各试样而言，其裂口则多发生在锡球本身，说明了銲点强度良好的特徵，且其两类1^：的结构也有所不同。

（3）、热循环（TC)前后IMC结构的改变

当PCBA加工厂对各试样均完成推球试验后，曾针对每个试样都做过详细硏究。且利用某特化学蚀刻的技术将銲点的塡锡本体予以清除，而直接观察介面所露出的IMC结构组织，发现磷含量在焊接中的确会影响到IMC的结构组织。下列图 6均为热循环前所呈现的IMC组织。两者的磷含量分别是8.0wt%与11.2wt%。，但却呈现类似'针状组织"的画面，其中磷者的结构比起高磷者，不但颗粒较大而且也较鬆散。

不过銲点经热循环之后其IMC却发生了极大的变化，尤其以磷量8.0wt%，其IMC的变化尤其明显。该IMC结构不但仍具针状外，而且还变得更加肥厚。至于高磷11.2 wt%者，其颗粒不但变大而且也更为密实。

图6、左为从SEM放大5000倍下所见到含磷8.0wt%镍层表面的IMC结构情形，右为高磷者11.2wt%IMC的结构情形。

由TC前后对比可看出，原本銲点底部针状的IMC已转变成为肥厚型的IMC了。并进一步还可得知，此种IMC的成长也受到了化学镍层晶界的影响，此等GB不但是最容易溶入或攻入的软弱疆界，且还更与IMC成长的机制有关。

图7、左为电路板焊点经TC后从SEM放大5000倍所见到的中磷镍面上形成的IMC外貌，右为高磷镍面上形成的IMC外貌
由于高磷镍层的抗蚀能力很强，于是在金水中应该发生的置换反应也就变慢了。

Ni十2Au- → Ni++ 十2Au↓

一般人认为中磷(8.0 wt%)者焊后会出现外观较粗糙的针状IMC结构，也正是出自晶界容易遭到攻击的事实，然而当金属厚度控制在较薄状态〈0.08μm)时，则该种镍层晶界所受到的攻击也已较多减轻，故知磷含量的多寡将成为焊接中镍层溶入液锡而生成IMC的重要影响因素。

下图8可从SEM的画面中见到ENIG镀层表面（含磷8.0 wt%）出现瘤状结构的形貌，另图8右 则为高磷11.2wt%放大所见之化镍层表面形貌。

图8、左为含磷8.0wt%的化镍表面经SEM放大5000倍所见到的画面。

右为含磷11.2wt%的化镍表面经SEM放大5000倍所见到的画面