ENIG tarkoittaa Electroless Nickel Immersion Gold. Ihmiset kutsuvat sitä myös kemialliseksi nikkelin upotuskullaksi. Sitä käytetään painettujen piirilevyjen (PCB) pintakäsittelynä. Ihmiset lyhentävät sen usein ENIG:ksi tai kutsuvat sitä kemialliseksi kultalevyksi. Nykyään monet PCBA matkapuhelinten sisällä olevat piirilevyt käyttävät ENIG:tä. BGA kantolevyt käyttävät myös ENIG:iä.

Verrattuna galvanoituun nikkeli-kultaan ENIG ei tarvitse sähköä levyllä pinnoitusvaiheiden aikana. Siinä ei myöskään tarvitse vetää lankaa jokaiseen tyynyyn nikkelin ja kullan levittämiseksi. Koska prosessi on yksinkertaisempi, tuottajat voivat valmistaa monia levyjä nopeasti. Tuloksena on suurempi tuotanto ja alhaisemmat kustannukset.

ENIG-tuotantovirta

Seuraavassa on kaksi yleistä tuotantosekvenssiä. Ensimmäinen on normaali ENIG-virtaus. Toinen on paksun kullan virtaus padeille, jotka tarvitsevat enemmän kultaa.

Tyypillinen ENIG-virtaus:
Vaakasuora esipuhdistus → Levyjen lataaminen → Rasvanpoisto (öljynpoisto) → Huuhtelu vedellä (x2) → Mikroetsaus → Huuhtelu vedellä (x2) → Happopuhdistus → Puhdasvesihuuhtelu (x2) → Esikastaminen → Aktivointi → Puhdasvesihuuhtelu (x3) → Kemiallinen nikkelipinnoite (Ni/P) → Puhdasvesihuuhtelu (x2) → Upotuskultaus → Palautus → Puhdasvesihuuhtelu (x2) → Purkaminen → Levyn pesu → Levyn tarkastus

Paksukultainen virtaus:
Vaakasuora esipuhdistus → Levyjen lataaminen → Rasvanpoisto → Huuhtelu vedellä (x2) → Mikroetsaus → Huuhtelu vedellä (x2) → Happopuhdistus → Puhdasvesihuuhtelu (x2) → Esikastelu → Aktivointi → Puhdasvesihuuhtelu (x3) → Kemiallinen nikkelipinnoite (Ni/P) → Puhdasvesihuuhtelu (x2) → Kullan esikastelu → Paksu kultapinnoite → Talteenotto → Puhdasvesihuuhtelu (x2) → Purkaminen → Levyjen pesu → Levyjen tarkastus

Tärkeimpien vaiheiden selitykset - yksinkertaiset

Esikäsittely: Tavoitteena on harjata tai hiekkapuhaltaa kupari oksidien poistamiseksi. Tämä myös karhentaa kuparin pinnan. Karheus auttaa nikkeliä ja kultaa tarttumaan myöhemmin paremmin.

Mikroetsaus: Käytä natriumpersulfaattia tai rikkihappoa kuparin oksidin poistamiseen. Micro-etch vähentää myös harjauksen aiheuttamia syviä naarmuja. Syvät harjausjäljet voivat auttaa upotuskultaa hyökkäämään nikkeliin myöhemmin.

Aktivointi: Kupari ei voi käynnistää kemiallista nikkelipinnoitusta itsestään. Siksi kuparin päälle laitetaan ensin ohut kerros palladiumia (Pd). Palladium toimii katalysaattorina nikkelin laskeutumisessa. Kemiassa käytetään hyväksi sitä, että kupari on aktiivisempi kuin palladium. Palladiumionit pelkistyvät palladiummetalliksi ja tarttuvat kuparin pintaan.

Kemiallinen nikkeli (Ni/P): Tämä on nikkeli-fosforiesiintymä. Sen pääasiallinen tehtävä on estää kuparin ja kullan välinen siirtyminen ja diffuusio. Se reagoi myös juottamisen aikana juotteen kanssa muodostaen metallien välisiä yhdisteitä (IMC). Toisin sanoen nikkelikerros estää kuparia siirtymästä juotteeseen ja auttaa juotoksen sitoutumista.

Upotuskulta: Kulta suojaa nikkeliä hapettumiselta. Kulta ei reagoi juotoskemiassa. Liian suuri määrä kultaa voi heikentää juotosliitoksen lujuutta. Kultakerroksen on siis vain peitettävä nikkeliä riittävän hyvin hapettumisen estämiseksi. Jos teet Chip On Board (COB) -langan liimausta, tarvitset paksumman kultakerroksen. Useimmissa pintalevyissä ohut, noin 0,05 µm (2 µ”) tai ohuempi kerros on yleinen. Tätä ohutta kerrosta on helppo hallita ja se alentaa kustannuksia verrattuna galvanoituun nikkeli-kultaan.

Miksi ENIG-kulta on ohut ja riski

Koska ENIG-kulta on hyvin ohutta, se suojaa nikkeliä vain ilmalta ja korroosiolta. Jos kultaa ei ole riittävästi, nikkeli joutuu kosketuksiin ilman kanssa ja syöpyy. Tai kulta voi syövyttyä liikaa happaman kultakylvyn vaikutuksesta. Molemmat tapaukset voivat aiheuttaa “mustaa nikkeliä” tai “mustaa tyynyä”. Kultakerros voi silti näyttää silmämääräisesti kiiltävältä. Silmämääräinen tarkastus ei siis ole luotettava. On erittäin tärkeää tarkistaa ENIG-piirilevyn laatu ennen kokoonpanoa.

Musta nikkeli - miten se muodostuu ja miksi se on huono asia

Nikkelikerroksen laatu riippuu nikkelikylvyn koostumuksesta ja lämpötilan hallinnasta kemiallisen pinnoituksen aikana. Myös upotuskultavaihe vaikuttaa tulokseen. Kemiallisessa nikkeliprosessissa käytetään hypofosfiittia (natriumhypofosfiittia) ja nikkelisuoloja itsekatalysoituvassa reaktiossa. Laskeuma sisältää jonkin verran fosforia (P). Tutkimukset osoittavat, että nikkelikerrostuman normaalin fosforipitoisuuden pitäisi olla noin 7% - 10%. Jos kylpyä ei pidetä hyvin tai lämpötilan säätö epäonnistuu, fosforipitoisuus laskee tämän alueen ulkopuolelle.

Jos fosforia on liian vähän, nikkelikerros syöpyy helposti. Korroosio alkaa usein siitä, että hapan kultakylpy hyökkää nikkeliin. Jos fosforia on liian paljon, kerrostumasta tulee kova. Se heikentää juotettavuutta. Se haittaa myös luotettavien juotosliitosten muodostumista.

Jos nikkelikerroksen fosforipitoisuus on alhainen ja jos upotuskultavaihetta ei hoideta hyvin, kultakerros voi halkeilla paljon. Myöhemmässä puhdistuksessa hapanta kultakylpyä voi olla vaikea poistaa. Altistunut nikkeli syöpyy nopeammin ilmassa. Tämä johtaa mustaan nikkeliin, jota kutsutaan myös mustaksi tyynyksi. Musta tyyny aiheuttaa huonoja juotosliitoksia.

Kun mustaa nikkeliä muodostuu, levyn pinnalla oleva kultakerros voi edelleen näyttää kiiltävältä ja kultaiselta. Ihmiset saattavat siis ajatella, että alusta on kunnossa. Korkean lämpötilan juottamisen aikana kultakerros liukenee nopeasti juotospastaan. Syövytetty nikkeli ei voi reagoida sulan juotteen kanssa muodostaen intermetallikomposiittia (IMC). Tämä heikentää juotosliitoksen luotettavuutta. Liitokset murtuvat helposti pienistä ulkoisista voimista.

Fosforirikas kerros - muodostuminen ja haitat

ENIG:ssä metalli, joka seostuu juotteen kanssa, on nikkeli. Tyypillinen metallienvälinen yhdiste (IMC) on Ni3Sn4. Nikkelissä oleva fosfori ei yhdistä metalliyhdistettä. Fosforia on kuitenkin nikkelikerrostumassa ja se on jakautunut tasaisesti. Kun nikkeli reagoi ja muodostaa IMC:n, jäljelle jäänyt fosfori kerääntyy. Se keskittyy IMC:n reunalle ja muodostaa fosforirikkaan kerroksen.

Jos fosforirikas kerros on liian paksu, sen lujuus on alhainen. Kun juotosliitokseen kohdistuu rasitusta, heikoin kohta murtuu ensin. Usein fosforirikas kerros on tämä heikko kohta. Silloin juotosliitoksen luotettavuus heikkenee.

Tämä on pahempaa korkean lämpötilan lyijyttömissä prosesseissa. Jos prosessin hallinta on huono, IMC:stä tulee paksua. Enemmän IMC:tä tarkoittaa enemmän jäljelle jäävää fosforia. Niinpä fosforirikas kerros kasvaa. Tuloksena on suurempi riski juotosliitoksen pettämiseen. Fosforirikas kerros näkyy tummana kaistaleena IMC:n ja nikkelin välissä. Energiadispersiivinen röntgenspektroskopia (EDS) osoittaa, että tässä kaistassa on erittäin korkea fosforipitoisuus. Monet vikatapaukset osoittavat, että fosforirikas kerros aiheuttaa liitoksen halkeilua.

Miten estää musta nikkeli ja fosforirikas kerros

Sekä musta nikkeli että fosforirikkaat kerrokset ovat piilovikoja. Ne voivat jäädä huomaamatta tavanomaisissa silmämääräisissä tarkastuksissa. Mutta jos tiedämme niiden syyt, voimme ehkäistä ne hyvillä tarkastuksilla.

Mustalle nikkelille:

• Ylläpidä nikkelipinnoituskylpy ja pidä lämpötila vakaana. Tämä auttaa pitämään nikkelin ja fosforin suhteen oikealla alueella.

• Säilytä hapanta kultakylpyä. Jos kultakylpy on liian syövyttävä, säädä sitä ajoissa.

• Valvo esikäsittelyä hyvin. Vältä syviä harjausviivoja. Poista jäämät hyvin.

• Hallitse aktivointia ja huuhtelua niin, että palladiumin kylvö on tasainen ja nikkeli laskeutuu hyvin.

• Hallitse kullan upotusaikaa, jotta kulta ei halkeile.

Käyttäjät ja ostajat, tarkista ENIG-laatu ennen kokoonpanoa. On olemassa useita menetelmiä:

1. Tutki tyynyn pintaa pyyhkäisyelektronimikroskoopilla (SEM). Tarkista, onko kullassa halkeamia. Käytä EDS:ää nikkelin fosforisuhteen mittaamiseen. Tämä antaa selkeän mikrokuvan.

2. Manuaalinen juottotesti. Juota käsin tyypillisiä tyynyjä ja mittaa sitten liitoksen veto- tai leikkauslujuus. Jos vetolujuus on paljon normaalia pienempi, kyseessä voi olla musta nikkeli. Tämä testi on helppo ja nopea.

3. Happaman kaasun korroosiotesti. ENIG-näytteet altistetaan happamalle kaasulle. Jos pulveria muodostuu tai pinta värjäytyy, kultakerroksessa on halkeamia. Se osoittaa todennäköisesti mustaa nikkeliä.

Näistä menetelmistä toinen on helpoin ja nopein. Se on helppo tehdä. Näillä tarkastuksilla voit löytää ongelmat ennen kokoonpanoa. Tämä vähentää myöhemmin vikaantuvien levyjen määrää ja pienentää tappioita.

Fosforirikkaan kerroksen hallinta

Fosforipitoisen kerroksen vähentämiseksi nikkelin ja fosforin suhde on pidettävä oikealla alueella. Hallitse myös juotosprosessia. Hallitse juotosaikaa ja juotoslämpötilaa. Pyri pitämään IMC:n paksuus lähellä parasta aluetta eli noin 1-2 mikronia (µm). Jos IMC:stä tulee liian paksu, fosforia keskittyy enemmän. Tämä pahentaa fosforirikasta kerrosta.

Lyhyesti sanottuna hyvä kylpyammeen kunnossapito, lämpötilan säätö ja tarkat juotosprofiilit ovat avainasemassa. Näiden vaiheiden ansiosta IMC pysyy ohuena ja fosforirikas kerros pienenä. Tällöin juotosliitoksen luotettavuus pysyy korkeana.

Yhteenveto - yksinkertaisia kohtia

• ENIG on sähkötöntä nikkeliä, jota seuraa upotuskultaa. Se on yleinen puhelinten PCBA:ssa ja joissakin BGA-kantajissa.

• ENIG on halvempi ja yksinkertaisempi kuin galvanoitu nikkeli-kulta, koska se ei vaadi sähköistä pinnoitusta tai johdotusta.

• Tärkeimmät vaiheet ovat esikäsittely, mikroetsaus, aktivointi palladiumilla, kemiallinen nikkeli (Ni/P) ja upotuskultaus. Erikoistarpeisiin on myös paksukullanvaihtoehto.

• Kemiallinen nikkeli estää kupari-kullan siirtymisen ja auttaa muodostamaan juote-IMC:n. Upotuskulta suojaa nikkeliä hapettumiselta. Kulta on ohutta, ja sen tarvitsee suojata vain nikkeliä. Liian suuri määrä kultaa heikentää juotoslujuutta. Käytä paksumpaa kultaa lankaliimauksessa (COB).

• Mustaa nikkeliä (musta tyyny) syntyy, kun nikkelissä on väärä fosforipitoisuus tai kun kultakerros halkeaa. Musta nikkeli voi piiloutua kiiltävän kullan alle. Se aiheuttaa huonoa juottamista ja halkeamia.

• Fosforirikkaita kerroksia muodostuu lähelle IMC-reunaa, kun nikkeli sisältää fosforia. Paksu IMC ja huono prosessinohjaus pahentavat tätä. Fosforirikas kerros alentaa liitoksen lujuutta ja aiheuttaa halkeilua.

• Ehkäise ongelmat pitämällä nikkeli- ja kultakylpy hyvin huollettuna, valvomalla lämpötilaa, välttämällä syviä harjajälkiä ja valvomalla juotosprofiileja.

• Laadunvalvonnassa käytetään SEM/EDS-menetelmää, manuaalisia juotoksen vetotestejä tai happokaasujen korroosiotestejä. Käsikäyttöinen juotoksen vetokoe on nopein ja helpoin.

• Pidä IMC:n paksuus lähellä 1-2 µm lyijyttömiä prosesseja, jotta fosforirikkaan kerroksen vikaantumisriski pienenee.