ENIG steht für Chemisch Nickel Immersionsgold. Man nennt es auch Chemisch-Nickel-Tauchgold. Es handelt sich um eine Oberflächenveredelung, die bei Leiterplatten (PCBs) verwendet wird. Häufig wird die Abkürzung ENIG verwendet oder es wird von einer chemischen Goldplatte gesprochen. Heute werden viele PCBA Platinen in Mobiltelefonen verwenden ENIG. Einige BGA Trägerkarten verwenden ebenfalls ENIG.

Im Vergleich zu galvanisch abgeschiedenem Nickel-Gold benötigt ENIG während der Beschichtungsschritte keinen Strom auf der Leiterplatte. Es muss auch kein Draht zu jedem Pad gezogen werden, um Nickel und Gold aufzubringen. Da der Prozess einfacher ist, können die Hersteller viele Leiterplatten schnell herstellen. Das Ergebnis ist ein höherer Ausstoß und niedrigere Kosten.

ENIG-Produktionsablauf

Hier sind zwei gängige Produktionsabläufe zu sehen. Die erste ist der normale ENIG-Fluss. Die zweite ist der Dickgoldfluss für Pads, die mehr Gold benötigen.

Typischer ENIG-Fluss:
Horizontale Vorreinigung → Platinen einlegen → Entfetten (Entölen) → Spülen mit Wasser (x2) → Mikro-Ätzen → Spülen mit Wasser (x2) → Säurereinigen → Spülen mit reinem Wasser (x2) → Vortauchen → Aktivieren → Spülen mit reinem Wasser (x3) → Chemisches Vernickeln (Ni/P) → Spülen mit reinem Wasser (x2) → Tauchvergoldung → Rückgewinnung → Spülen mit reinem Wasser (x2) → Entladen → Platinenwaschen → Platinenprüfung

Dickes Gold fließt:
Horizontale Vorreinigung → Platten einlegen → Entfetten → Spülen mit Wasser (x2) → Mikroätzung → Spülen mit Wasser (x2) → Säurereinigung → Spülen mit reinem Wasser (x2) → Vortauchen → Aktivierung → Spülen mit reinem Wasser (x3) → Chemische Nickelablagerung (Ni/P) → Spülen mit reinem Wasser (x2) → Vortauchen für Gold → Dicke Goldablagerung → Rückgewinnung → Spülen mit reinem Wasser (x2) → Entladen → Plattenwäsche → Platteninspektion

Erläuterungen zu den wichtigsten Schritten - einfach

Vorbehandlung: Ziel ist es, das Kupfer zu bürsten oder sandzustrahlen, um Oxide zu entfernen. Dadurch wird auch die Kupferoberfläche aufgeraut. Durch das Aufrauen können Nickel und Gold später besser haften.

Mikro-Ätzen: Verwenden Sie Natriumpersulfat oder Schwefelsäure, um das Oxid auf Kupfer zu entfernen. Micro-etch reduziert auch tiefe Kratzer, die durch Bürsten verursacht werden. Tiefe Bürstenspuren können dazu beitragen, dass Tauchgold das Nickel später angreift.

Aktivierung: Kupfer kann die chemische Nickelabscheidung nicht von selbst in Gang setzen. Daher wird zunächst eine dünne Schicht Palladium (Pd) auf das Kupfer aufgebracht. Palladium wirkt als Katalysator für die Nickelabscheidung. Die Chemie nutzt die Tatsache, dass Kupfer aktiver ist als Palladium. Palladiumionen reduzieren sich zu Palladiummetall und haften an der Kupferoberfläche.

Chemisch-Nickel (Ni/P): Hierbei handelt es sich um eine Nickel-Phosphor-Lagerstätte. Seine Hauptaufgabe besteht darin, die Migration und Diffusion zwischen Kupfer und Gold zu verhindern. Außerdem reagiert sie beim Löten mit dem Lot und bildet intermetallische Verbindungen (IMC). Mit anderen Worten: Die Nickelschicht verhindert, dass Kupfer in das Lot eindringt, und unterstützt die Lötverbindung.

Chemisch vergoldet: Gold schützt das Nickel vor Oxidation. Gold reagiert nicht mit der Lötchemie. Zu viel Gold kann die Festigkeit der Lötstelle verringern. Daher muss die Goldschicht das Nickel nur gut genug bedecken, um Oxidation zu verhindern. Wenn Sie Chip On Board (COB)-Drahtbonding betreiben, benötigen Sie eine dickere Goldschicht. Für die meisten Oberflächenpads ist eine dünne Schicht von etwa 0,05 µm (2 µ”) oder dünner üblich. Diese dünne Schicht ist leicht zu kontrollieren und senkt die Kosten im Vergleich zu galvanisch aufgebrachtem Nickel-Gold.

Warum ENIG-Gold dünn ist und das Risiko

Da ENIG-Gold sehr dünn ist, schützt es Nickel nur vor Luft und Korrosion. Wenn das Gold nicht ausreicht, kommt das Nickel mit der Luft in Kontakt und korrodiert. Oder das Gold kann durch das säurehaltige Goldbad überätzt werden. In beiden Fällen kann es zu “schwarzem Nickel” oder “schwarzem Pad” kommen. Die Goldschicht kann mit dem Auge noch glänzend aussehen. Eine Sichtprüfung ist also nicht zuverlässig. Es ist sehr wichtig, die Qualität von ENIG-Leiterplatten vor der Montage zu prüfen.

Schwarzer Nickel - wie er entsteht und warum er schlecht ist

Die Qualität der Nickelschicht hängt von der Zusammensetzung des Nickelbads und der Temperaturkontrolle während der chemischen Abscheidung ab. Auch der Tauchgoldschritt wirkt sich auf das Ergebnis aus. Beim chemischen Nickelverfahren werden Hypophosphit (Natriumhypophosphit) und Nickelsalze in einer selbstkatalysierten Reaktion verwendet. Die Ablagerung enthält etwas Phosphor (P). Untersuchungen zeigen, dass der normale Phosphorgehalt in der Nickelabscheidung etwa 7% bis 10% betragen sollte. Wenn das Bad nicht gut gehalten wird oder die Temperaturkontrolle versagt, wird der Phosphorgehalt außerhalb dieses Bereichs liegen.

Wenn der Phosphorgehalt zu niedrig ist, kann die Nickelschicht leicht korrodieren. Diese Korrosion beginnt oft damit, dass das saure Goldbad das Nickel angreift. Ist der Phosphorgehalt zu hoch, wird die Schicht hart. Das verschlechtert die Lötbarkeit. Auch die Bildung von zuverlässigen Lötstellen wird dadurch beeinträchtigt.

Wenn die Nickelablagerung wenig Phosphor aufweist und der Tauchgoldschritt nicht gut gehandhabt wird, kann die Goldschicht stark reißen. Bei der späteren Reinigung kann das saure Goldbad schwer zu entfernen sein. Freiliegendes Nickel korrodiert an der Luft schneller. Dies führt zu schwarzem Nickel, auch Black Pad genannt. Schwarzes Pad verursacht schlechte Lötstellen.

Wenn sich schwarzer Nickel bildet, kann die Goldschicht auf der Platinenoberfläche noch glänzend und golden aussehen. Man könnte also meinen, das Pad sei in Ordnung. Beim Hochtemperaturlöten löst sich die Goldschicht schnell in der Lötpaste auf. Das korrodierte Nickel kann nicht mit dem geschmolzenen Lot reagieren und eine intermetallische Verbindung (IMC) bilden. Dadurch sinkt die Zuverlässigkeit der Lötstelle. Die Lötstellen brechen dann leicht bei kleinen äußeren Kräften.

Phosphorreiche Schicht - Entstehung und Schaden

Bei ENIG ist das Metall, das sich mit dem Lot legiert, Nickel. Die typische intermetallische Verbindung (IMC) ist Ni3Sn4. Der Phosphor im Nickel verbindet sich nicht mit der Metallverbindung. Der Phosphor ist jedoch in der Nickelschicht vorhanden und gleichmäßig verteilt. Wenn Nickel reagiert und IMC bildet, sammelt sich der restliche Phosphor an. Er konzentriert sich am Rand der IMC und bildet eine phosphorreiche Schicht.

Wenn die phosphorreiche Schicht zu dick ist, ist ihre Festigkeit gering. Wenn eine Lötstelle unter Spannung steht, bricht die schwächste Stelle zuerst. Oft ist die phosphorreiche Schicht diese schwache Stelle. Dann sinkt die Zuverlässigkeit der Lötstelle.

Dies ist bei bleifreien Prozessen mit hoher Erwärmung noch schlimmer. Wenn die Prozesssteuerung schlecht ist, wird die IMC dick. Mehr IMC bedeutet mehr Phosphorreste. So wächst die phosphorreiche Schicht. Das Ergebnis ist ein höheres Risiko von Lötstellenausfällen. Die phosphorreiche Schicht ist als dunkles Band zwischen der IMC und dem Nickel zu erkennen. Die energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS) zeigt, dass dieses Band einen sehr hohen Phosphorgehalt aufweist. Viele Fehlerfälle zeigen, dass die phosphorreiche Schicht Risse in der Verbindung verursacht.

Verhinderung von schwarzem Nickel und phosphorhaltigen Schichten

Sowohl schwarze Nickel- als auch phosphorreiche Schichten sind versteckte Mängel. Bei normalen Sichtkontrollen können sie übersehen werden. Aber wenn wir ihre Ursachen kennen, können wir sie durch gute Kontrollen verhindern.

Für schwarzes Nickel:

• Pflegen Sie das Vernickelungsbad und halten Sie die Temperatur stabil. Dies hilft, das Nickel-Phosphor-Verhältnis im richtigen Bereich zu halten.

• Behalten Sie das saure Goldbad bei. Wenn das Goldbad zu korrosiv ist, passen Sie es rechtzeitig an.

• Kontrollieren Sie die Vorbehandlung gut. Vermeiden Sie tiefe Bürstenstriche. Rückstände gut entfernen.

• Kontrollieren Sie die Aktivierung und die Spülvorgänge, damit die Palladiumaussaat gleichmäßig ist und sich das Nickel gut ablagert.

• Kontrollieren Sie die Eintauchzeit des Goldes, damit das Gold nicht bricht.

Benutzer und Käufer sollten die ENIG-Qualität vor der Montage prüfen. Es gibt mehrere Methoden:

1. Untersuchen Sie die Oberfläche des Pads mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM). Prüfen Sie, ob das Gold Risse aufweist. Verwenden Sie EDS, um den Phosphoranteil im Nickel zu messen. Dies ergibt eine klare Mikroansicht.

2. Manueller Löttest. Handlöten Sie typische Lötstellen und messen Sie dann die Zug- oder Scherfestigkeit der Verbindung. Wenn die Zugfestigkeit viel geringer als normal ist, kann Schwarznickel vorhanden sein. Dieser Test ist einfach und schnell.

3. Korrosionstest mit saurem Gas. ENIG-Proben werden saurem Gas ausgesetzt. Wenn sich Pulver bildet oder sich die Oberfläche verfärbt, bedeutet dies, dass die Goldschicht Risse aufweist. Das zeigt, dass es sich wahrscheinlich um Schwarznickel handelt.

Von diesen Methoden ist die zweite die bequemste und schnellste. Sie ist einfach zu handhaben. Mit diesen Prüfungen können Sie Probleme vor dem Zusammenbau finden. Das verringert die Zahl der später defekten Platinen und senkt die Verluste.

Kontrolle der phosphorhaltigen Schicht

Um die phosphorreiche Schicht zu reduzieren, muss das Nickel-Phosphor-Verhältnis in der Ablagerung im richtigen Bereich gehalten werden. Kontrollieren Sie auch den Lötprozess. Steuern Sie die Lötzeit und die Löttemperatur. Ziel ist es, die IMC-Dicke im optimalen Bereich von etwa 1-2 Mikron (µm) zu halten. Wenn die IMC zu dick wird, konzentriert sich mehr Phosphor. Dadurch wird die phosphorreiche Schicht schlechter.

Kurz gesagt, eine gute Badpflege, Temperaturkontrolle und präzise Lötprofile sind der Schlüssel. Diese Schritte halten die IMC dünn und die phosphorreiche Schicht klein. Dann bleibt die Zuverlässigkeit der Lötstellen hoch.

Zusammenfassung - einfache Punkte

• ENIG ist chemisch Nickel, gefolgt von Chemisch Gold. Es wird häufig für Telefon-PCBA und einige BGA-Träger verwendet.

• ENIG ist billiger und einfacher als galvanisches Nickel-Gold, weil es keine elektrische Beschichtung oder Verdrahtung benötigt.

• Die wichtigsten Schritte sind Vorbehandlung, Mikroätzung, Aktivierung mit Palladium, chemischem Nickel (Ni/P) und Tauchvergoldung. Für besondere Anforderungen gibt es auch eine Dickgoldvariante.

• Chemisches Nickel blockiert die Kupfer-Gold-Migration und hilft bei der Bildung von IMC. Immersionsgold schützt Nickel vor Oxidation. Gold ist dünn und muss nur das Nickel schützen. Zu viel Gold beeinträchtigt die Lötfestigkeit. Für das Drahtbonden (COB) sollte dickeres Gold verwendet werden.

• Schwarzes Nickel (schwarzer Belag) entsteht, wenn Nickel einen falschen Phosphorgehalt hat oder wenn die Goldschicht Risse aufweist. Schwarzes Nickel kann sich unter glänzendem Gold verstecken. Es verursacht schlechte Lötung und Risse.

• Phosphorreiche Schichten bilden sich in der Nähe der IMC-Kante, wenn Nickel Phosphor enthält. Dickes IMC und schlechte Prozesskontrolle verschlimmern dies. Die phosphorreiche Schicht senkt die Verbindungsfestigkeit und verursacht Risse.

• Vermeiden Sie Probleme, indem Sie das Nickel- und Goldbad gut pflegen, die Temperatur kontrollieren, tiefe Bürstenabdrücke vermeiden und die Lötprofile kontrollieren.

• Für die Qualitätskontrolle können Sie SEM/EDS, manuelle Lötabzugstests oder Säuregas-Korrosionstests verwenden. Manuelles Ziehen des Lötmittels ist die schnellste und einfachste Methode.

• Halten Sie die IMC-Dicke bei bleifreien Prozessen bei 1-2 µm, um das Risiko eines Ausfalls der phosphorreichen Schicht zu verringern.