PCB“黑盘”事件知多少？

樱桃海弥

PCB“黑盘”事件知多少？

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       PCB“黑盘”会给焊点的可靠性带来灾难性影响，造成电子产品的质量事故,重则给企业带来巨额损失。而国内电子产品企业PCB“黑盘”质量事故却屡见不鲜！

PCB“黑盘”事故为何频频发生?

化学镍金（ENIG）“黑盘”的风险又是否可以规避？

在此，带你对ENIG“黑盘”一探究竟，本文将为业界同行揭示PCB “黑盘”事故的危害、产生机理及规避方向。

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PCB是电子工业的重要部件之一，几乎所有的电子设备，小到日常生活中随处可见的电子手表、计算器，大到计算机、通讯电子设备、飞机、雷达等，只要有集成电路等电子元器件的电气互连，就必然会使用PCB。

PCB为什么会出现“黑盘”？首先，我们需要了解清楚什么是PCB表面处理，以及目前业界流行哪些类型的PCB表面处理。

什么是PCB的表面处理？

铜作为PCB内外层互连的优良导体，具有良好的导热性和导电性。裸铜本身可焊性很好，但暴露在空气中很容易氧化和受到污染，而铜的氧化层对焊接有极大的危害，能导致焊接时无法上锡（焊锡性不良），甚至元器件与焊盘无法焊接。

而PCB的表面处理便是在焊盘表面和镀覆孔内涂（镀）覆一层物质，确保焊盘和镀覆孔不被氧化。这里的“表面”是指PCB上提供给电子元器件与PCB电路之间电气连接的连接点铜面，如焊盘或接触式连接点、电子元器件的插件孔等。

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通俗地讲，表面处理最基本的目的就是保证PCB具有良好的可焊性或电性能，给铜面穿上一层抗氧化和可焊性的“外衣”。以化学镍金（ENIG）表面处理为例，经过ENIG前后的焊盘截面对比如下图1所示：

图1 表面处理前后焊盘截面对比示意图

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当前PCB最流行的表面处理是什么？

目前业界有多种PCB表面处理工艺，没有哪一种最完美，所以才会有这么多种选择，每一种表面处理都有各自的优缺点。常见的类型有化学镍金（ENIG）、热风整平（包括有铅喷锡HASL、无铅喷锡LF-HASL）、有机抗氧化膜（OSP）、电镀镍金、化学银（IAg）、化学锡（ISn）、化学镍钯金（ENEPIG）。据不完全统计，近几年全球PCB各类型表面处理的市场份额如下图2所示：

图2  近几年全球PCB各类型表面处理的市场份额

从图2中可以明显看出，当前化学镍金（ENIG）仍占据了PCB表面处理市场份额的1/3以上，仍是业界PCB表面处理的主流，颇受下游客户青睐，尤其在欧美、日本、韩国、东南亚国家及台湾地区其应用尤为广泛。

但ENIG也有其自身弱点，尤其对于含密集QFP/SOP/小PAD或BGA来说（图3和图4），若制程管控不好，镍（Ni）表面会被腐蚀而出现焊盘黑化（又称黑盘Black Pad、黑镍、镍腐蚀）的现象。镍（Ni）表面过度腐蚀会使焊接表面的润湿性和连接性能严重下降，焊料与被腐蚀的镍（Ni）表面会承受较大的应力，从而使其与Ni接触的界面开裂破碎而形成黑色的Ni表面，即黑镍。

这里需要特别说明一下，为什么往往密集QFP/SOP/小PAD或BGA出现“黑盘”的风险要高些呢？因为在相同的药水条件、设备条件下，单位面积的金浓度的提供量是基本相同的。相同的浸金时间下，随着PAD面积的增大，金厚度越薄。随着金缸内镍与金置换反应时间的延长，金厚会变厚。在金厚要求的基准下（相同的金厚要求），由于沉金时大PAD处单位条件下需要的金浓度比小PAD的多，当小PAD达到金厚要求时，大PAD仍未达到，所以必须延长浸金时间或提高浸金活性（在时间一定条件下）方能达到金厚要求，此时小PAD的金厚是偏厚的，小PAD产生黑盘的机率变大。

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图3  含密集QFP/SOP/小PAD和BGA的PCB

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图4  含密集QFP/SOP/小PAD和BGA的PCB

ENIG“黑盘”犹如PCB焊接工艺中的“隐形”杀手，其产生过程很隐蔽，从外观难以被发现，很容易导致不合格品流入客户端，一旦“潜伏”，装配后的PCBA将面临“全盘皆输”的报废风险（如元器件焊点强度不足导致功能失效），即便焊接了再昂贵的元器件（如IC）也难逃报废厄运。这种“隐形”缺陷往往在经过波峰焊或回流焊后也不容易被发现，而总是在产品流入市场之后才开始表现出早期失效，如焊点强度不足导致开路，从外观上看焊点发黑，很多企业并不能分析出产品失效的真正原因，而简单地认为是焊接过程出现的问题。

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黑盘”缺陷通常呈现“隐蔽性强、批量大、涉及面广、返修困难”的特点，一直困扰着国内众多PCB中小型生产企业和下游客户，尤其对下游客户的生产造成重大的负面影响。

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2013年，国内C公司SMT生产线在批量生产料号ME08N2013A的PCBA过程中，过炉后发现元件面表面贴和焊接面孔盘润湿不良，润湿不良区域的焊盘发黑，且部分孔壁上锡不饱满；因此导致掉器件和焊点强度不足，如下图5至图8所示：

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此时SMT已批量生产单板数量412pcs，不良板数量高达375pcs，不良率高达91%。修理难度极大，不良板几乎全部报废。单板PCB为某S公司PCB厂生产。PCBA单板成本（含所有元器件成本和加工成本）为1578美元/pcs。C公司向S公司提出索赔，索赔金额合计591750美元，折合366.9万元人民币。因在焊接不良责任主体方面C公司与S公司争论无果，于是双方同意交由第三方权威机构分析焊接不良真因。第三方权威机构通过分析，最终锁定焊盘润湿不良的罪魁祸首是ENIG“黑盘”。

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下图9至图10为第三方权威机构分析结果。

+ m3 J0 r5 G1 T) L说明：IMC是Intermetallic Compound 的缩写,介面金属间化合物，ENIG在焊接过程中锡和镍形成的共晶化合物是Ni3Sn4

正常焊盘镍面SEM和截面SEM照片如下图11和图12所示:

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通过上文，大家了解清楚了PCB的表面处理，我们现在就可以接着分析“黑盘”的产生机理了，以及，最重要的，我们该如何规避“黑盘”风险。

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“黑盘”的产生机理是什么？

ENIG“黑盘”（BlackPad）的组成成分是氧化镍（NixOy），其产生的根本原因是镍表面被过度氧化（镍原子氧化为镍离子），因体积比镍原子大的金原子的不规则沉积，形成疏松多孔的晶粒结构，底镍在“化学电池效应”（又称“贾凡尼效应”）的驱动下而不断被氧化老化，以致在金面底下产生未能溶走的“镍锈”累积而成。

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浸金反应机理：2Au++Ni→2Au+Ni2+。这里为方便理解浸金反应及黑盘产生机理，以图13示意如下：

图13  浸金反应及黑盘产生机理示意图

黑盘现象主要由以下四个方面引起：

（1）镍层磷含量太低，镍膜抗腐蚀性差；磷含量对化学镍磷层的沉积结构和抗腐蚀性有直接影响。大量试验和研究表明，一般使用中磷化学镀镍液，镍层磷含量控制在6％～9％（中磷）较好；

（2）镍晶粒生长不均一，晶粒间存在很大裂纹，镍膜致密性差；

（3）浸金时金镍置换反应加速使得镍腐蚀加剧，药水不断腐蚀镍表面产生裂纹；

（4）ENIG后的PCB长期暴露于潮湿或恶劣的环境中镍层被腐蚀。

因Ni-Au层Au层薄、疏松多孔，在潮湿或恶劣的空气中，Ni为负极，Au为正极，由于电子迁移产生电化学腐蚀（贾凡尼腐蚀），造成镍面氧化生锈。严重时，也会在波峰焊或回流焊后发生潜在的黑色镍锈，导致可焊性劣化与焊点强度不足，原因是金面上的助焊剂或酸性物质通过孔隙渗入镍层。

图14 黑盘镍面龟裂SEM图

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如何规避ENIG“黑盘”风险？

规避ENIG“黑盘”风险以提升PCB可靠性的探索之路从未止步，业界也曾摸索出了一些规避ENIG“黑盘”风险的方案：

早期选择性化金（ENIG+OSP）工艺曾一度受到热捧。选择性化金（ENIG+OSP），顾名思义，即在PCB焊盘表面，部分区域选择性采用ENIG涂覆工艺，其他密集QFP/SOP/小PAD或BGA区域采用OSP涂覆工艺。但这种工艺也存在一定的弊端，主要表现为：1）工艺流程长、成本高；2）若ENIG制程管控不好，也同样存在品质风险。

还有业界新发展起来的化学镍钯金工艺（ENEPIG）也是一种规避“黑盘”风险的方案，但由于其药水成本高、药水维护难度大等原因，目前还没有大批量推广应用。

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ENIG工艺在国内外均被广泛使用，在国外PCB“黑盘”的报道并不多见，而国内PCB“黑盘”的质量事故则屡见不鲜，以至于人们往往“谈虎色变”。

国内中小型PCB企业往往为了节省成本，亦或者没有专业和系统化的ENIG制程管理知识和经验，长期疏于对ENIG“黑盘”进行预防，如对ENIG药水体系的选择、镀镍关键工艺参数、镍槽镀液使用寿命（MTO）、镀金关键工艺参数、金槽镀液使用寿命（MTO）、PCB存放环境等方面管控不到位，以至于时有“黑盘”质量事故爆发，使企业蒙受巨大的经济损失，而至此企业人员才追悔莫及。

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