ENIG σημαίνει Electroless Nickel Immersion Gold. Οι άνθρωποι το αποκαλούν επίσης χημικό χρυσό εμβάπτισης νικελίου. Είναι ένα φινίρισμα επιφάνειας που χρησιμοποιείται σε πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων (PCB). Οι άνθρωποι συχνά το συντομεύουν σε ENIG ή το αποκαλούν πλακέτα χημικού χρυσού. Σήμερα πολλά PCBA Οι πλακέτες μέσα στα κινητά τηλέφωνα χρησιμοποιούν ENIG. BGA οι πλακέτες φορέων χρησιμοποιούν επίσης ENIG.

Σε σύγκριση με την ηλεκτρολυτική επιμετάλλωση νικελίου-χρυσού, η ENIG δεν χρειάζεται ηλεκτρισμό στην πλακέτα κατά τη διάρκεια των σταδίων επιμετάλλωσης. Επίσης, δεν χρειάζεται να τραβηχτεί ένα σύρμα σε κάθε επιφάνεια για να τοποθετηθεί νικέλιο και χρυσός. Επειδή η διαδικασία είναι απλούστερη, οι παραγωγοί μπορούν να κατασκευάσουν πολλές πλακέτες γρήγορα. Το αποτέλεσμα είναι υψηλότερη παραγωγή και χαμηλότερο κόστος.

Ροή παραγωγής ENIG

Ακολουθούν δύο κοινές ακολουθίες παραγωγής. Η πρώτη είναι η κανονική ροή ENIG. Η δεύτερη είναι η ροή παχύ χρυσού για τα μαξιλάρια που χρειάζονται περισσότερο χρυσό.

Τυπική ροή ENIG:
Οριζόντιος προ-καθαρισμός → Φόρτωση πλακετών → Απολίπανση (αφαίρεση λαδιού) → Ξέπλυμα με νερό (x2) → Μικρο-etch → Ξέπλυμα με νερό (x2) → Καθαρισμός με οξύ → Ξέπλυμα με καθαρό νερό (x2) → Προ-εμβάπτιση → Ενεργοποίηση → Ξέπλυμα με καθαρό νερό (x3) → Χημική εναπόθεση νικελίου (Ni/P) → Ξέπλυμα με καθαρό νερό (x2) → Χρυσό εμβάπτισης → Ανάκτηση → Ξέπλυμα με καθαρό νερό (x2) → Εκφόρτωση → Πλύσιμο πλακέτας → Επιθεώρηση πλακέτας

Χρυσή ροή:
Οριζόντιος προ-καθαρισμός → Φόρτωση πλακών → Απολίπανση → Ξέπλυμα με νερό (x2) → Μικρο-etch → Ξέπλυμα με νερό (x2) → Οξύς καθαρισμός → Ξέπλυμα με καθαρό νερό (x2) → Προ-βύθιση → Ενεργοποίηση → Ξέπλυμα με καθαρό νερό (x3) → Χημική εναπόθεση νικελίου (Ni/P) → Ξέπλυμα με καθαρό νερό (x2) → Προ-βύθιση για χρυσό → Πυκνή εναπόθεση χρυσού → Ανάκτηση → Ξέπλυμα με καθαρό νερό (x2) → Εκφόρτωση → Πλύσιμο πλακών → Επιθεώρηση πλακών

Επεξηγήσεις βασικών βημάτων - απλές

Προεπεξεργασία: Ο στόχος είναι να βουρτσίσουμε ή να αμμοβολήσουμε το χαλκό για να αφαιρέσουμε το οξείδιο. Με τον τρόπο αυτό γίνεται επίσης τραχύτερη η επιφάνεια του χαλκού. Η τραχύτητα βοηθά το νικέλιο και το χρυσό να κολλήσουν καλύτερα αργότερα.

Micro-etch: για να αφαιρέσετε το οξείδιο του χαλκού. Το Micro-etch μειώνει επίσης τις βαθιές γρατζουνιές που προκαλούνται από το βούρτσισμα. Τα βαθιά σημάδια βούρτσας μπορούν να βοηθήσουν τον χρυσό εμβάπτισης να επιτεθεί στο νικέλιο αργότερα.

Ενεργοποίηση: Χαλκός: Ο χαλκός δεν μπορεί να ξεκινήσει από μόνος του τη χημική εναπόθεση νικελίου. Έτσι, πρώτα τοποθετούμε ένα λεπτό στρώμα παλλαδίου (Pd) πάνω στο χαλκό. Το παλλάδιο δρα ως καταλύτης για την εναπόθεση νικελίου. Η χημεία χρησιμοποιεί το γεγονός ότι ο χαλκός είναι πιο ενεργός από το παλλάδιο. Τα ιόντα παλλαδίου ανάγονται σε μέταλλο παλλαδίου και προσκολλώνται στην επιφάνεια του χαλκού.

Χημικό νικέλιο (Ni/P): Νικέλιο-Φώσφορος: Πρόκειται για ένα κοίτασμα νικελίου-φωσφόρου. Η κύρια δουλειά του είναι να σταματήσει τη μετανάστευση και τη διάχυση μεταξύ χαλκού και χρυσού. Αντιδρά επίσης με τη συγκόλληση κατά τη διάρκεια της συγκόλλησης για να σχηματίσει ενδομεταλλικές ενώσεις (IMC). Με άλλα λόγια, το στρώμα νικελίου εμποδίζει τον χαλκό να μετακινηθεί μέσα στη συγκόλληση και βοηθάει τη συγκόλληση.

Χρυσή εμβάπτιση: Χρυσός προστατεύει το νικέλιο από την οξείδωση. Ο χρυσός δεν αντιδρά στη χημεία της συγκόλλησης. Η υπερβολική ποσότητα χρυσού μπορεί να μειώσει την αντοχή του αρμού συγκόλλησης. Έτσι, το στρώμα χρυσού χρειάζεται μόνο να καλύπτει το νικέλιο αρκετά καλά για να αποτρέψει την οξείδωση. Εάν κάνετε συγκόλληση καλωδίων Chip On Board (COB), χρειάζεστε ένα παχύτερο στρώμα χρυσού. Για τα περισσότερα επιφανειακά μαξιλαράκια, ένα λεπτό στρώμα περίπου 0,05 μm (2 μ”) ή λεπτότερο είναι συνηθισμένο. Αυτό το λεπτό στρώμα είναι εύκολο να ελεγχθεί και μειώνει το κόστος σε σύγκριση με το ηλεκτρολυτικό νικέλιο-χρυσό.

Γιατί ο χρυσός της ENIG είναι λεπτός και ο κίνδυνος

Επειδή ο χρυσός ENIG είναι πολύ λεπτός, προστατεύει το νικέλιο μόνο από τον αέρα και τη διάβρωση. Εάν ο χρυσός δεν είναι αρκετός, το νικέλιο θα έρθει σε επαφή με τον αέρα και θα διαβρωθεί. Ή ο χρυσός μπορεί να διαβρωθεί υπερβολικά από το όξινο λουτρό χρυσού. Και οι δύο περιπτώσεις μπορεί να προκαλέσουν “μαύρο νικέλιο” ή “μαύρο μαξιλάρι”. Το στρώμα χρυσού μπορεί να εξακολουθεί να φαίνεται γυαλιστερό με το μάτι. Επομένως, ο οπτικός έλεγχος δεν είναι αξιόπιστος. Είναι πολύ σημαντικό να ελέγχετε την ποιότητα της πλακέτας ENIG πριν από τη συναρμολόγηση.

Μαύρο νικέλιο - πώς σχηματίζεται και γιατί είναι κακό

Η ποιότητα του στρώματος νικελίου εξαρτάται από τον τύπο του λουτρού νικελίου και τον έλεγχο της θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια της χημικής εναπόθεσης. Το στάδιο της χρυσής εμβάπτισης επηρεάζει επίσης το αποτέλεσμα. Η χημική διαδικασία νικελίου χρησιμοποιεί υποφωσφίτη (υποφωσφικό νάτριο) και άλατα νικελίου σε μια αυτοκαταλυόμενη αντίδραση. Η εναπόθεση περιλαμβάνει λίγο φώσφορο (P). Μελέτες δείχνουν ότι η κανονική περιεκτικότητα σε φώσφορο στο απόθεμα νικελίου πρέπει να είναι περίπου 7% έως 10%. Εάν το λουτρό δεν διατηρείται καλά ή ο έλεγχος της θερμοκρασίας δεν είναι ικανοποιητικός, η περιεκτικότητα σε φώσφορο θα πέσει εκτός αυτού του εύρους.

Εάν ο φώσφορος είναι πολύ χαμηλός, το στρώμα νικελίου διαβρώνεται εύκολα. Αυτή η διάβρωση συχνά ξεκινά από το όξινο λουτρό χρυσού που επιτίθεται στο νικέλιο. Εάν ο φώσφορος είναι πολύ υψηλός, η εναπόθεση γίνεται σκληρή. Αυτό μειώνει την ικανότητα συγκόλλησης. Πλήττει επίσης τον σχηματισμό αξιόπιστων ενώσεων συγκόλλησης.

Εάν το απόθεμα νικελίου έχει χαμηλό φωσφόρο και το στάδιο της εμβάπτισης χρυσού δεν γίνεται καλά, το στρώμα χρυσού μπορεί να ραγίσει πολύ. Κατά τον μετέπειτα καθαρισμό, το όξινο λουτρό χρυσού μπορεί να είναι δύσκολο να αφαιρεθεί. Το εκτεθειμένο νικέλιο θα διαβρωθεί ταχύτερα στον αέρα. Αυτό οδηγεί σε μαύρο νικέλιο, που ονομάζεται επίσης μαύρο μαξιλάρι. Το μαύρο μαξιλάρι προκαλεί κακές ενώσεις συγκόλλησης.

Όταν σχηματίζεται μαύρο νικέλιο, το στρώμα χρυσού στην επιφάνεια της πλακέτας μπορεί να εξακολουθεί να φαίνεται λαμπερό και χρυσό. Έτσι, οι άνθρωποι μπορεί να νομίζουν ότι το μαξιλάρι είναι εντάξει. Κατά τη συγκόλληση σε υψηλή θερμοκρασία, το στρώμα χρυσού διαλύεται γρήγορα στην πάστα συγκόλλησης. Το διαβρωμένο νικέλιο δεν μπορεί να αντιδράσει με τη λιωμένη κόλληση για να δημιουργηθεί διαμεταλλική ένωση (IMC). Αυτό μειώνει την αξιοπιστία της σύνδεσης συγκόλλησης. Οι ενώσεις τότε ραγίζουν εύκολα υπό μικρές εξωτερικές δυνάμεις.

Στρώμα πλούσιο σε φώσφορο - σχηματισμός και βλάβη

Στην ENIG, το μέταλλο που συγκολλάται με τη συγκόλληση είναι το νικέλιο. Η τυπική ενδομεταλλική ένωση (IMC) είναι Ni3Sn4. Ο φώσφορος στο νικέλιο δεν ενώνει τη μεταλλική ένωση. Όμως ο φώσφορος είναι παρών στο απόθεμα νικελίου και κατανέμεται ομοιόμορφα. Όταν το νικέλιο αντιδρά και σχηματίζει IMC, ο φωσφόρος που έχει απομείνει συγκεντρώνεται. Συγκεντρώνεται στην άκρη της IMC και σχηματίζει ένα στρώμα πλούσιο σε φώσφορο.

Εάν το στρώμα πλούσιο σε φώσφορο είναι πολύ παχύ, η αντοχή του είναι χαμηλή. Όταν μια ένωση συγκόλλησης υφίσταται πίεση, το πιο αδύναμο σημείο σπάει πρώτο. Συχνά το στρώμα πλούσιο σε φώσφορο είναι αυτό το αδύναμο σημείο. Τότε η αξιοπιστία της συγκολλητικής ένωσης μειώνεται.

Αυτό είναι χειρότερο στις διεργασίες χωρίς μόλυβδο υψηλής θερμότητας. Εάν ο έλεγχος της διεργασίας είναι ανεπαρκής, η IMC πυκνώνει. Περισσότερος IMC σημαίνει περισσότερος φωσφόρος που περισσεύει. Έτσι, το πλούσιο σε φώσφορο στρώμα μεγαλώνει. Το αποτέλεσμα είναι μεγαλύτερος κίνδυνος αστοχίας της συγκολλητικής ένωσης. Το πλούσιο σε φώσφορο στρώμα μπορεί να φανεί ως μια σκούρα ζώνη μεταξύ του IMC και του νικελίου. Η φασματοσκοπία ακτίνων Χ ενεργειακής διασποράς (EDS) δείχνει ότι αυτή η ζώνη έχει πολύ υψηλή περιεκτικότητα σε φώσφορο. Πολλές περιπτώσεις αστοχίας δείχνουν ότι το πλούσιο σε φώσφορο στρώμα προκαλεί ρωγμές στην ένωση.

Πώς να αποτρέψετε το μαύρο νικέλιο και το πλούσιο σε φώσφορο στρώμα

Τόσο το μαύρο νικέλιο όσο και τα πλούσια σε φώσφορο στρώματα είναι κρυφά ελαττώματα. Οι συνήθεις οπτικοί έλεγχοι μπορεί να μην τα εντοπίσουν. Αλλά αν γνωρίζουμε τις αιτίες τους, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε καλούς ελέγχους για την πρόληψή τους.

Για μαύρο νικέλιο:

• Διατηρήστε το λουτρό επιμετάλλωσης νικελίου και διατηρήστε τη θερμοκρασία σταθερή. Αυτό συμβάλλει στη διατήρηση της αναλογίας νικελίου-φωσφόρου στο σωστό εύρος.

• Διατηρήστε το όξινο λουτρό χρυσού. Εάν το λουτρό χρυσού είναι πολύ διαβρωτικό, ρυθμίστε το εγκαίρως.

• Ελέγξτε καλά την προεπεξεργασία. Αποφύγετε τις βαθιές γραμμές βούρτσας. Απομακρύνετε καλά τα υπολείμματα.

• Ελέγξτε την ενεργοποίηση και τα ξεπλύματα ώστε η σπορά παλλαδίου να είναι ομοιόμορφη και το νικέλιο να εναποτίθεται καλά.

• Ελέγξτε το χρόνο βύθισης του χρυσού ώστε να μην ραγίσει ο χρυσός.

Για τους χρήστες και τους αγοραστές, ελέγξτε την ποιότητα ENIG πριν από τη συναρμολόγηση. Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι:

1. Χρησιμοποιήστε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) για να εξετάσετε την επιφάνεια του μαξιλαριού. Ελέγξτε αν ο χρυσός έχει ρωγμές. Χρησιμοποιήστε EDS για να μετρήσετε την αναλογία φωσφόρου στο νικέλιο. Αυτό δίνει μια σαφή μικροσκοπική άποψη.

2. Χειροκίνητη δοκιμή συγκόλλησης. Συγκολλήστε με το χέρι τυπικά μαξιλαράκια και, στη συνέχεια, μετρήστε την αντοχή έλξης ή διάτμησης της άρθρωσης. Εάν η αντοχή έλξης είναι πολύ χαμηλότερη από την κανονική, μπορεί να υπάρχει μαύρο νικέλιο. Αυτή η δοκιμή είναι εύκολη και γρήγορη.

3. Δοκιμή διάβρωσης με όξινο αέριο. Εκθέστε δείγματα ENIG σε όξινο αέριο. Εάν σχηματιστεί σκόνη ή αποχρωματιστεί η επιφάνεια, αυτό σημαίνει ότι το στρώμα χρυσού έχει ρωγμές. Αυτό δείχνει πιθανότατα μαύρο νικέλιο.

Από αυτές, η δεύτερη μέθοδος είναι πιο βολική και γρήγορη. Είναι απλή στην εφαρμογή της. Με αυτούς τους ελέγχους μπορείτε να βρείτε προβλήματα πριν από τη συναρμολόγηση. Αυτό μειώνει τον αριθμό των πλακετών που αποτυγχάνουν αργότερα και μειώνει τις απώλειες.

Έλεγχος του πλούσιου σε φώσφορο στρώματος

Για να μειώσετε το πλούσιο σε φώσφορο στρώμα, διατηρήστε την αναλογία νικελίου-φωσφόρου στο σωστό εύρος στο απόθεμα. Ελέγξτε επίσης τη διαδικασία συγκόλλησης. Ελέγξτε το χρόνο συγκόλλησης και τη θερμοκρασία συγκόλλησης. Επιδιώξτε να διατηρήσετε το πάχος IMC κοντά στο καλύτερο εύρος περίπου 1-2 μικρά (μm). Εάν το IMC γίνει πολύ παχύ, θα συγκεντρωθεί περισσότερος φώσφορος. Αυτό επιδεινώνει το πλούσιο σε φώσφορο στρώμα.

Εν ολίγοις, η καλή συντήρηση του λουτρού, ο έλεγχος της θερμοκρασίας και τα ακριβή προφίλ συγκόλλησης είναι το κλειδί. Αυτά τα βήματα διατηρούν το IMC λεπτό και το πλούσιο σε φώσφορο στρώμα μικρό. Τότε η αξιοπιστία της συγκολλητικής σύνδεσης παραμένει υψηλή.

Σύνοψη - απλά σημεία

• Το ENIG είναι νικέλιο χωρίς ηλεκτρόλυση που ακολουθείται από χρυσό εμβάπτισης. Είναι συνηθισμένο σε PCBA τηλεφώνων και σε ορισμένους φορείς BGA.

• Η ENIG είναι φθηνότερη και απλούστερη από την ηλεκτρολυτική επικάλυψη νικελίου-χρυσού, επειδή δεν χρειάζεται ηλεκτρική επένδυση ή καλωδίωση.

• Τα κύρια στάδια είναι η προεπεξεργασία, η μικρο-χάραξη, η ενεργοποίηση με παλλάδιο, χημικό νικέλιο (Ni/P) και χρυσός εμβάπτισης. Υπάρχει επίσης μια παραλλαγή με παχύ χρυσό για ειδικές ανάγκες.

• Το χημικό νικέλιο εμποδίζει τη μετανάστευση χαλκού-χρυσού και βοηθά στο σχηματισμό IMC συγκόλλησης. Ο χρυσός εμβάπτισης προστατεύει το νικέλιο από την οξείδωση. Ο χρυσός είναι λεπτός και χρειάζεται να προστατεύει μόνο το νικέλιο. Η υπερβολική ποσότητα χρυσού βλάπτει την αντοχή της κόλλησης. Για συγκόλληση με σύρμα (COB) χρησιμοποιήστε παχύτερο χρυσό.

• Το μαύρο νικέλιο (μαύρο μαξιλάρι) συμβαίνει όταν το νικέλιο έχει λανθασμένη περιεκτικότητα σε φώσφορο ή όταν το στρώμα χρυσού ραγίζει. Το μαύρο νικέλιο μπορεί να κρυφτεί κάτω από γυαλιστερό χρυσό. Προκαλεί κακή συγκόλληση και ρωγμές.

• Στρώματα πλούσια σε φώσφορο σχηματίζονται κοντά στην άκρη του IMC όταν το νικέλιο περιέχει φώσφορο. Το παχύ IMC και ο κακός έλεγχος της διαδικασίας το επιδεινώνουν. Το πλούσιο σε φώσφορο στρώμα μειώνει την αντοχή της άρθρωσης και προκαλεί ρωγμές.

• Αποφύγετε τα προβλήματα διατηρώντας το λουτρό νικελίου και το λουτρό χρυσού καλά συντηρημένα, ελέγχοντας τη θερμοκρασία, αποφεύγοντας βαθιά σημάδια από βούρτσα και ελέγχοντας τα προφίλ συγκόλλησης.

• Για ελέγχους ποιότητας χρησιμοποιήστε SEM/EDS, χειροκίνητες δοκιμές έλξης συγκόλλησης ή δοκιμές διάβρωσης με όξινο αέριο. Το χειροκίνητο τράβηγμα συγκόλλησης είναι το ταχύτερο και ευκολότερο.

• Διατηρήστε το πάχος IMC κοντά στα 1-2 μm σε διεργασίες χωρίς μόλυβδο για να μειώσετε τον κίνδυνο αστοχίας στρώματος πλούσιου σε φώσφορο.