电路板焊点（二）电路板无铅銲料的含磷分析

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爲重要的课题。就长期可靠度而言，该等皮膜还可做爲金属相互扩散的屏障层，以保护底铜垫在高温中不致氧化。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、介面磷量增多的分析
利用锡银铜无铅銲料分别在中磷（8.0 wt%)与高磷（11.2 wt%）的ENIG表面上进行焊接，然后再深入观察其IMC的生长情形。下图9是在微切片截面所标示的红线，是用以说明SEM所扫描的路径，右图即爲红色扫描上所测到磷含量变化的图示。

图1、从中磷化镍层銲点微切片截面上见到SEM放大35000倍的画面

图2、从高磷化镍层銲点微切片截面上见到SEM放大35000倍的画面
并从下表1整理的数据可见到，在化镍本层与IMC之间，其某些暗色区域即表磷含量已增多的富磷区，以及焊接前后磷量变化的比较。
表1、焊接前后化镍层IMC介面间其磷量变化的比较

此等介面某些局部区间其磷量增多之机制有二 ，即：
（一）、当磷镍合金层浸入金水进置换反应时，其中纯镍部份在快速溶入金水而黄金沉积之际，致使剩下无法溶解的磷量，于其介面间也就相对的增多了 。
但当高磷的化镍表面浸入金水时，由于其抗蚀性较强，使得受到金水的攻击而产生的置换反应也爲之变慢，以至所沉金之层厚度也较抗蚀性不强的中磷镍来的较薄。
此现象可从相同操作条件之中磷镍层（8 wt%))表面金厚0.08μm ，与高磷镍层(11.2 wt%)的金厚0.05μm的对比，即可完全明瞭。
从前文化镍浸金(ENIG)皮膜的测试中所整理的资料中可看出，一般常规条件下其金层厚度的范围是0.05 — 0.08μm，至于其磷量的增多则尚不到1%。然而在晶界附近易遭攻击区，其磷量的增多却可达4%以上。故知耐蚀性较强的化镍层，其浸金反应后介面局部"磷量增多"的趋势也将爲之减缓。
（二）、介面磷量下游再次之增多是发生在焊接反应中，也就是当高温液锡溶化纯镍而形IMC之际，镍走了所留下的磷量自然就会相对增多。此时若化镍层的抗蚀性较强者，其介面局部磷量增多的趋势也将变小。
由此可得知11.2 wt%的高磷化镍层，其焊后介面磷量增多的现象也就不是很明显。人们当然可以解释成系抗蚀性变强之故，但事实上除了化学反应的行爲之外，高磷化镍层还具有表面较平坦的物理特质，从SEM的放大画面上可清楚见到高磷镍面要比中磷者更爲平坦，于是在焊接反应中所提供的接触面积也就较小，进而令纯镍溶走的趋势不免爲之减弱。此种物理现象的解释更可以从TC试验后，IMC增肥增厚之结构方面再度获得印证。
此刻可再回到推球试验其"推球与伸长"的曲线差异，从其曲线良性平缓下降与不良脆性陡直下降的比较看来， 也必然是出自IMC结构差异所致。高磷者焊后介面不一定就会出现磷量增多的现象。以11.2 wt%高磷镍层的焊接而言，其介面"磷量增多"的数字，尚不致对可靠度造成影响。反之中磷8 .0wt%者其"推球与伸长"试验在推力方面，的确出现很大的不良变化。
二、打线后抗拉脱强度的比较
（一）、打铝线的强度
此种拉力试验总共做了50次。曾就ENIG中5μm厚的化镍层，所得含磷量的变化颇大约在4.2 — 11 .6wt%之间， 其中之中磷镍层〈4.2 ， 7.7 ， 8.0 wt%〉其金层厚度尚可保持在0.08μm；但高磷镍层〔10.1与11.6 wt%〕者所得金层厚度却只有0.05μm。
原装的ENIG试样或155℃高温老化4小时后的试样，打线后3个标淮差的平均拉力均可达到9.5cN(±0.75 cN)，且不受磷含量的影响。此种数値早已超过MIL-STD-883C中2011法所要求及格标淮的4cN 。

图3、电路板强度测试打铝线的强度
（二）、打金线的强度
此种拉力试验总共做了60次，所採用之两类试样分别是电镀镍金，与高磷化镍浸金（ENIG)，是刻意用电镀镍金当做ENIG的老化或原装试样对比用的参照试样。两者打线前的金面都经过电浆清洁。ENIG原装试样中的含磷量爲11.2 wt%。电镀镍金所得的平均拉力爲13.9 cN ，而未经电浆清洁的高磷ENIG层其平均拉力竟达14.1 cN。至于未经电浆清洁的电镀镍金表面，其平均打线拉力却只有13.3 cN而已。
经过电浆清洁的电镀镍金表面，其所测得"3个标淮差的平均値"（X-3S，已可函盖各种拉力测试値的99.73%在内）爲10. 01 cN，而高磷ENIG未经电浆清洁之表面， 其平均拉力亦达9.9 cN，但未清洁的电镀镍金表面其拉力却只有8.8 cN的低値而已。

图4、电路板强度测试打金线的强度
三、结论
（一）、 当高磷镍的金层爲0.05μm时，其打线能力竟可等于中磷者的0.08μm金层。原因之一是高磷镍面的金层系属緻密而疏孔较少的黄金层，还因高磷镍层之抗蚀能力较好，以致不易出现氧化之故。
（二）、—旦ENIG中的镍层与金层的厚度起伏不定时，即表可能会出现脆裂的行爲。其中尤以镍层变薄与金层增厚处，其脆裂性最爲明显，但在高磷ENIG的皮膜中，即使镍层厚度不足处也不致存在脆裂的后患。
（三）、经过电路板焊接与可累积应力的热循环试验后，高磷的ENIG皮膜均不易发生脆裂。且经1000次TC后也未对高磷銲点的强度产生不利。高磷所测得"推球与延伸长度"的数据也相当稳定，但中磷者经过1000TC后所得到的数据，比起原装者已显得相当分散。
（四）、将电路板焊接与TC后脆裂的试样再经微切片的观察分析，发现中磷ENIG的推球开裂位置都是集中在IMC的附近，但高磷者的开裂则多半发生在球体的本身，并还可看到两者的IMC并不相同。
（五）、对高磷ENIG而言，其浸金反应与焊接反应后，在介面所造成"磷量增多"的不良效应，比起中磷ENIG来约可减少30%。此种发现与先前所认定之"介面总磷量"并非关键因素；反倒是主镍层中与"磷量多"区，其两者磷量的差异才是关键的说法，也得以相互吻合。
（六）、 至于打铝线而言，其强度既未受镍层中磷量的不同的影响，也未受原装ENIG或155℃轫化4小时的不同而有所差异。而且高磷ENIG打金线的能力也非常好，其金层厚度却只有电镀镍金层的十分之一而已。此种发现将来还会再深入加以硏究。
由上述可以量测到的各项数据可知，高磷ENIG的好处甚多。爲了良好的銲点完整性，以及打铝线或打金线的优异效果起见，所使用的高磷ENIG ，其化镍厚度应到达5.5μm左右，其含磷量范围亦需维持在9.5-13 wt%之间，而金层之厚度则只需0.05 μm即可。