化学镍金与电镀镍金表面处理焊盘的比较研究
介绍
由于化学镍金（ENIG）表面处理和电镀镍金表面处理具有良好的可焊性和平整性的突出优点，越来越多的电子产品采用镍金表面处理PCB。同时，由于使用镍金镀层的焊盘具有良好的粘结性和耐高温老化性，即使在无铅工艺条件下经过2至3次焊接，未焊的焊盘仍能保持良好的可焊性。而价格相对低廉的有机焊接保护膜（OSP）和热风整平（HASL）合金可焊性涂层由于缺乏耐高温老化性或平整性，无法满足日益增长的细间距安装要求。因此，随着电子产品的小型化、无铅化以及人们对高可靠性的要求，采用镍金表面处理焊盘的印刷电路板的使用将越来越广泛，但化学镍金和电镀镍金表面处理哪一个更合适呢？ 本文将探讨化学镍金与电镀镍金的区别，各自的可靠性风险，以及防范风险的措施。
1 化学镍金和电镀镍金的基本工艺流程
化学镍金最大的一个优点就是工艺比较简单，只需要两种关键的化学溶液，即含有次磷酸盐和镍盐的化学镀液和酸性金水（含KAu(CN)2）。工艺一般要经过酸洗、微蚀、活化、化学镀镍、清洗、沉金等工序。关键步骤是在铜焊盘上自催化化学镀镍，通过控制时间、温度、pH值等参数来控制镀镍厚度；然后利用新鲜镍的活性，将镀镍焊盘浸入酸性金水中，通过化学置换反应将溶液中的金置换到焊盘表面，而部分部位表面的镍则溶解在金水中。这样，只要置换出来的金完全覆盖镍层，置换反应就会自动停止，清洗干净焊盘表面的污物后即可完成工艺。这意味着化学镍金的工艺相对容易控制。 此时镀金层往往仅约0.03至0.1微米厚，且各种形状或部位的镀层厚度均匀一致。
电镀镍金是在焊盘的铜基体上，通过通电的方式镀上一层约3~5微米的低应力镍镀层，然后在镍上镀上一层约0.01~0.05微米的薄金层。在一定的电镀液条件下，通过控制电镀时间，可以控制镀层的厚度。其它工艺步骤如清洗、微蚀等与化学镍金基本相同。化学镍金与电镀镍金工艺最大的区别在于镀液的配方和是否需要通电。在涂有阻焊层的裸铜板上，通常不容易对每一处需要电镀的区域都通电，所以此时只能采用化学电镀。
不管是化学镍金还是电镀镍金，焊接用的镀层真正值得关注的是镍镀层，因为真正需要焊接形成金属间化合物的是镍，而不是金。金只是为了保护镍不被氧化或腐蚀。金层在焊接开始时就溶解到焊料中了。因此，在装配工序前加强对各镀层表面处理的质量检查或控制是非常必要的。由于工艺的不同，两种镀层的质量是有差别的，特别是在组织、硬度、可焊性等方面都有明显的差异。
2 实验研究
本文选取了一批经过化学镍金和电镀镍金处理的手机主板，利用XL.30&DX-4i扫描电子显微镜和X射线能量色散谱仪（SEM&EDS）观察了两种工艺生成的镍金镀层的微观结构；同时采用SAT-5100可焊性测试仪按照IPC/J-STD-003B标准对两种PCB焊盘的可焊性进行测试；并使用型号显微维氏硬度计对化学镍金和电镀镍金镀层的硬度差异进行分析对比；下一步将扩大研究样品范围，利用XRD对镀层的结晶状态进行分析，重点研究造成可焊性差异的原因。
3。结果与讨论
3.1 外观结构差异
利用电子显微镜在不同放大倍数下观察化学镍金与电镀镍金表面结构的差异。由于金底层的镍层在焊接时实际上形成了合金层，因此采用温和的氰化金蚀刻水去除金层（不腐蚀镍层），然后用电子显微镜观察并比较两种工艺条件下得到的镍镀层的微观情况。图1为不同放大倍数下的金镀层表面电子显微镜照片。可以看出，化学镍金与电镀镍金有明显的不同，前者具有清晰的非晶态结晶颗粒结构，而后者具有细密光滑的晶体。除金后的镍镀层外观结构与除金前相似，如图2所示。造成这种结构差异的原因与镀层的不同形成机制有关。化学镍金是经自催化反应沉积为镍底层，而底层金层是经置换反应沉积的。 采用化学反应方法生成的沉积层一般晶体颗粒较大，且为非晶态、无定形；采用电化学反应方法沉积的涂层晶体细小、规则。
×500 化学镍金、镀金结构
×500 电镀镍金，镀金结构
×5000 化学镍金、镀金结构
×5000 电镀镍金，镀金结构
图1 化学镍金与电镀镍金镀层金层表面结构形貌在不同放大倍数下的SEM照片
化学镍金镀镍外观（×2000）
镍金电镀镍层外观(×2000)
图2 除金后镍镀层与电镀镍金外观结构对比
3.2 可焊性的差异
在很多文献报道中，人们认为电镀镍金结晶细密，硬度较高，其可焊性往往不如化学镍金。很多现场使用情况也体现了这种习惯性印象。但真实的情况到底如何呢？为此，本文采用SAT-5100可焊性测试仪，按照IPC/J-STD-003B《印制板可焊性技术要求》标准中规定的方法，对来自同一供应商的化学镍金和电镀镍金焊盘的可焊性进行测试和评定。具体测试条件：
1）焊料成分：Sn96.5Ag3.0Cu0.5；
2）焊接温度255°C；
3）焊接时间：5s；
4)浸入速度10mm/s；
5）浸入深度0.2mm；
6）助焊剂类型Flux2（松香：25％；异丙醇：74.61％；二乙胺盐酸盐：0.39％）。
代表性测试结果如图3、图4所示，从图中可以看出两种样品的润湿时间（过零时间）基本一致，没有明显差异。测试多个样品后，过零时间的分布和范围非常接近。但润湿焊接后，2秒或5秒的润湿力存在较大差异，化学镍金的润湿力明显大于电镀镍金。
图 3.化学镍金焊盘可焊性测试的典型润湿力-时间曲线。
（T0：0.48 秒，F2：2.07 毫牛，F5：2.17 毫牛）
图4 镀金焊盘可焊性测试的典型润湿力-时间曲线
（T0：0.44 秒，F2：0.98 毫牛，F5：1.09 毫牛）
规律性非常明显。这说明二者润湿速度没有明显差异，也就是说焊盘镀层表面状况非常相似，镀层表面结构的差异对润湿速度没有影响。但随着焊接的继续，润湿程度和深度，或者说合金化的难易程度，有明显的不同。这可能是因为化学镍金的晶体颗粒较粗，非晶态，溶解扩散速度比电镀镍金要快。这也许是为什么人们在很多工艺场合更喜欢采用化学镍金处理过的PCB的原因之一。
为了分析造成这种润湿性差异的原因（已排除污染问题），本文还利用显微维氏硬度计测试了两种方式处理后的金镀层和镍镀层分别在0.025N和0.05N下的硬度（见表1）。
由于金层较薄，测试可能会有些误差，但从数据整体分析我们发现，不管金层还是镍层，电镀镍金的硬度都高于化学镍金，镀金层硬度约高7%，镀镍层硬度约高24%。由于化学镍金中镀镍层的硬度也和磷含量有关，磷含量的增加也可能使镀镍层的硬度增加。但总体来说，镀层的硬度是影响润湿性的重要因素，随着硬度的增加，润湿性会逐渐下降。
表1 涂层硬度测试结果
3.3 可靠性风险及防范
由于沉积工艺不同，镍金镀层的质量和可靠性风险会存在明显差异。化学镍金结构中晶体粗大且为非晶态，导致焊接时溶解扩散速度较快，使得润湿力略大于电镀镍金。但如果工艺控制不当，镍层因缺乏金的保护，极易发生腐蚀，即所谓的黑镍；如果镍镀层中的磷含量不合适，往往会造成润湿性不良，容易在焊点中形成富磷层，导致焊点可靠性下降。这些问题笔者已在本杂志前几期专题文章中讨论过，在此不再赘述。而电镀镍金，由于镀层晶体细小，焊接时溶解扩散速度相对较慢，焊接时需调整工艺，适当延长或提高焊接时间或温度。 同时，电镀时要特别注意镀液的纯度和工艺条件的控制，保证镀层中镍金的纯度，否则极易造成可焊性不良。由于电镀镍金的结构特点，一般不易出现黑镍层和富磷层。
综上所述
作为焊盘的可焊接表面处理，化学镍金和电镀镍金都得到了广泛的应用，特别是在无铅时代和电子产品小型化之后。由于化学镍金和电镀镍金生产工艺的差异，两者在表面形貌、结构、可焊性、可靠性风险和成本方面均有所不同。前者晶体粗大、非晶态，焊接时的润湿力明显强于后者，但也容易出现镍腐蚀和富磷层的风险，导致焊点可靠性降低。电镀镍金表面结构细密，镍成分单一，因此通常不会出现黑镍和富磷层。
磷层问题，但必须控制镀层纯度才能达到要求的可焊性，电镀镍金的焊接时间和温度可能较化学镍金适度增加。更多关于化学镍金和电镀镍金的对比研究还在进行中。