ENIG står for Electroless Nickel Immersion Gold. Folk kalder det også kemisk nikkeldæmpningsguld. Det er en overfladebehandling, der bruges på printkort (PCB). Folk forkorter det ofte til ENIG eller kalder det et kemisk guldkort. I dag er mange PCBA Kort i mobiltelefoner bruger ENIG. Nogle BGA bærerplader bruger også ENIG.

Sammenlignet med elektropletteret nikkel-guld behøver ENIG ikke elektricitet på pladen under pletteringstrinnene. Det er heller ikke nødvendigt at trække en ledning til hver pad for at plettere nikkel og guld. Fordi processen er enklere, kan producenterne lave mange plader hurtigt. Resultatet er højere produktion og lavere omkostninger.

ENIG's produktionsflow

Her er to almindelige produktionssekvenser. Den første er det normale ENIG-flow. Den anden er flowet med tykt guld til puder, der har brug for mere guld.

Typisk ENIG-flow:
Horizontal preclean → Load boards → Degrease (oliefjernelse) → Rinse with water (x2) → Micro-etch → Rinse with water (x2) → Acid clean → Pure water rinse (x2) → Pre-dip → Activation → Pure water rinse (x3) → Chemical nickel deposit (Ni/P) → Pure water rinse (x2) → Immersion gold → Recovery → Pure water rinse (x2) → Unload → Board wash → Board inspection

Tykt guldfarvet flow:
Horizontal preclean → Load boards → Degrease → Rinse with water (x2) → Micro-etch → Rinse with water (x2) → Acid clean → Pure water rinse (x2) → Pre-dip → Activation → Pure water rinse (x3) → Chemical nickel deposit (Ni/P) → Pure water rinse (x2) → Pre-dip for gold → Thick gold deposit → Recovery → Pure water rinse (x2) → Unload → Board wash → Board inspection

Forklaringer på vigtige trin - enkelt

Forbehandling: Målet er at børste eller sandblæse kobberet for at fjerne oxid. Det gør også kobberoverfladen ru. Ruhed hjælper nikkel og guld med at sidde bedre fast senere.

Mikroætsning: Brug natriumpersulfat eller svovlsyre til at fjerne oxid på kobber. Mikroætsning reducerer også dybe ridser forårsaget af børstning. Dybe børstemærker kan hjælpe nedsænket guld med at angribe nikkel senere.

Aktivering: Kobber kan ikke starte den kemiske nikkeludfældning af sig selv. Så først lægger vi et tyndt lag palladium (Pd) på kobberet. Palladium fungerer som katalysator for nikkeludfældningen. Kemien udnytter det faktum, at kobber er mere aktivt end palladium. Palladiumioner reduceres til palladiummetal og klæber til kobberoverfladen.

Kemisk nikkel (Ni/P): Dette er en nikkel-fosfor-aflejring. Dets vigtigste opgave er at stoppe migration og diffusion mellem kobber og guld. Det reagerer også med loddetinnet under lodningen og danner intermetalliske forbindelser (IMC). Med andre ord forhindrer nikkellaget kobber i at bevæge sig ind i loddet og hjælper loddet med at binde.

Nedsænket guld: Guld beskytter nikkel mod oxidering. Guld reagerer ikke i loddekemien. For meget guld kan reducere loddeforbindelsens styrke. Så guldlaget behøver kun at dække nikkelen godt nok til at forhindre oxidering. Hvis du laver Chip On Board (COB) wire bonding, skal du bruge et tykkere guldlag. Til de fleste overfladepads er et tyndt lag på omkring 0,05 µm (2 µ”) eller tyndere almindeligt. Dette tynde lag er let at kontrollere og sænker omkostningerne sammenlignet med galvaniseret nikkel-guld.

Hvorfor ENIG-guld er tyndt og risikoen

Fordi ENIG-guld er meget tyndt, beskytter det kun nikkel mod luft og korrosion. Hvis der ikke er nok guld, vil nikkel komme i kontakt med luft og korrodere. Eller guldet kan blive overætset af det sure guldbad. Begge tilfælde kan forårsage “sort nikkel” eller “sort pude”. Guldlaget kan stadig se blankt ud med det blotte øje. Så visuel kontrol er ikke pålidelig. Det er meget vigtigt at kontrollere ENIG PCB-kvaliteten før montering.

Sort nikkel - hvordan det dannes, og hvorfor det er dårligt

Nikkellagets kvalitet afhænger af nikkelbadets formel og temperaturkontrol under den kemiske udfældning. Nedsænkningsguldtrinnet påvirker også resultatet. Den kemiske nikkelproces bruger hypofosfit (natriumhypofosfit) og nikkelsalte i en selvkatalyseret reaktion. Aflejringen indeholder en del fosfor (P). Undersøgelser viser, at det normale fosforindhold i nikkelaflejringen bør være ca. 7% til 10%. Hvis badet ikke holdes godt, eller hvis temperaturkontrollen svigter, vil fosforindholdet falde uden for dette interval.

Hvis fosforindholdet er for lavt, bliver nikkellaget let at korrodere. Denne korrosion starter ofte med, at det sure guldbad angriber nikkelen. Hvis fosforindholdet er for højt, bliver aflejringen hård. Det sænker loddeevnen. Det skader også dannelsen af pålidelige loddeforbindelser.

Hvis nikkelaflejringen har et lavt fosforindhold, og guldbadet ikke håndteres godt, kan guldlaget revne meget. Ved senere rengøring kan det sure guldbad være svært at fjerne. Eksponeret nikkel korroderer hurtigere i luften. Det fører til sort nikkel, også kaldet black pad. Sort pad giver dårlige loddeforbindelser.

Når der dannes sort nikkel, kan guldlaget på pladens overflade stadig se skinnende og gyldent ud. Så folk tror måske, at puden er fin. Under lodning ved høj temperatur opløses guldlaget hurtigt i loddepastaen. Det korroderede nikkel kan ikke reagere med det smeltede loddetin og danne en intermetallisk forbindelse (IMC). Det nedsætter loddesamlingens pålidelighed. Samlinger revner derefter let under små eksterne kræfter.

Fosforholdigt lag - dannelse og skade

I ENIG er nikkel det metal, der legerer med loddetinnet. Den typiske intermetalliske forbindelse (IMC) er Ni3Sn4. Fosfor i nikkel forbinder ikke metalforbindelsen. Men fosfor er til stede i nikkelaflejringen, og det er jævnt fordelt. Når nikkel reagerer og danner IMC, samles den resterende fosfor. Det koncentreres i kanten af IMC'en og danner et fosforrigt lag.

Hvis det fosforrige lag er for tykt, er styrken lav. Når en loddeforbindelse udsættes for stress, går det svageste sted i stykker først. Ofte er det fosforrige lag det svage punkt. Så falder loddeforbindelsens pålidelighed.

Det er værre i blyfri processer med høj varme. Hvis processtyringen er dårlig, bliver IMC tyk. Mere IMC betyder mere restfosfor. Så det fosforrige lag vokser. Resultatet er en højere risiko for fejl i loddefugen. Det fosforrige lag kan ses som et mørkt bånd mellem IMC og nikkel. Energidispersiv røntgenspektroskopi (EDS) viser, at dette bånd har et meget højt fosforindhold. Mange fejlsituationer viser, at det fosforrige lag forårsager revner i samlingen.

Sådan undgår du sort nikkel og fosforrige lag

Både sort nikkel og fosforrige lag er skjulte fejl. Normale visuelle kontroller kan overse dem. Men hvis vi kender deres årsager, kan vi bruge gode kontroller til at forhindre dem.

Til sort nikkel:

• Vedligehold nikkelbadet, og hold temperaturen stabil. Det hjælper med at holde nikkel-fosfor-forholdet inden for det rette område.

• Oprethold det sure guldbad. Hvis guldbadet er for ætsende, skal du justere det i tide.

• Kontrollér forbehandlingen godt. Undgå dybe børstelinjer. Fjern rester godt.

• Kontroller aktivering og skylning, så palladiumudsåningen er ensartet, og nikkel aflejres godt.

• Styr tiden for nedsænkning af guld, så guldet ikke krakelerer.

Brugere og købere bør kontrollere ENIG-kvaliteten før montering. Der er flere metoder:

1. Brug et scanning-elektronmikroskop (SEM) til at se på paddens overflade. Tjek, om der er revner i guldet. Brug EDS til at måle fosforforholdet i nikkel. Det giver et klart mikrobillede.

2. Manuel loddetest. Håndlod typiske puder, og mål derefter samlingens træk- eller forskydningsstyrke. Hvis trækstyrken er meget lavere end normalt, kan der være tale om sort nikkel. Denne test er nem og hurtig.

3. Korrosionstest med sur gas. Udsæt ENIG-prøver for sur gas. Hvis der dannes pulver, eller overfladen misfarves, betyder det, at guldlaget har revner. Det viser sandsynligvis sort nikkel.

Ud af disse er den anden metode mest praktisk og hurtig. Den er enkel at udføre. Med disse kontroller kan du finde problemer før montering. Det reducerer antallet af tavler, der fejler senere, og mindsker tabet.

Kontrol af det fosforrige lag

For at reducere det fosforrige lag skal du holde nikkel-fosfor-forholdet i det rigtige område i aflejringen. Kontrollér også loddeprocessen. Kontrollér loddetid og loddetemperatur. Sigt efter at holde IMC-tykkelsen i nærheden af det bedste interval på ca. 1-2 mikrometer (µm). Hvis IMC bliver for tyk, koncentreres der mere fosfor. Det gør det fosforrige lag værre.

Kort sagt er god vedligeholdelse af badet, temperaturkontrol og præcise loddeprofiler nøglen. Disse trin holder IMC tynd og det fosforrige lag lille. Så forbliver loddeforbindelsens pålidelighed høj.

Sammenfatning - enkle punkter

• ENIG er kemisk nikkel efterfulgt af guld. Det er almindeligt i telefon-PCBA og nogle BGA-bærere.

• ENIG er billigere og enklere end galvaniseret nikkel-guld, fordi det ikke kræver elektrisk plettering eller ledningsføring.

• De vigtigste trin er forbehandling, mikroætsning, aktivering med palladium, kemisk nikkel (Ni/P) og nedsænkning af guld. Der findes også en variant med tykt guld til særlige behov.

• Kemisk nikkel blokerer kobber-guld-migration og hjælper med at danne lodde-IMC. Nedsænkningsguld beskytter nikkel mod oxidering. Guld er tyndt og behøver kun at beskytte nikkel. For meget guld skader loddets styrke. Brug tykkere guld til trådbinding (COB).

• Sort nikkel (black pad) opstår, når nikkel har et forkert fosforindhold, eller når guldlaget revner. Sort nikkel kan gemme sig under skinnende guld. Det forårsager dårlig lodning og revner.

• Fosforrige lag dannes nær IMC-kanten, når nikkel indeholder fosfor. Tyk IMC og dårlig proceskontrol forværrer dette. Det fosforrige lag sænker samlingens styrke og forårsager revnedannelse.

• Forebyg problemer ved at holde nikkelbad og guldbad godt vedlige, kontrollere temperaturen, undgå dybe børstemærker og kontrollere loddeprofiler.

• Brug SEM/EDS, manuelle loddetræktest eller syregaskorrosionstest til kvalitetskontrol. Manuelt loddetræk er det hurtigste og nemmeste.

• Hold IMC-tykkelsen tæt på 1-2 µm i blyfri processer for at mindske risikoen for fejl i det fosforrige lag.