【IPC-7095C】_BGA设计与组装工艺的实施_（IPC标准）.pdf - 第57页
的 暴露 镍 表面 是 光 滑 的， 外观 颜 色从灰色 变 到 黑色 ， 这是 术 语 “ 黑 焊盘 ” 的 由 来（ 见 图 5-6 和 5-7 ） 。 由 电子 扫描显微分析 SEM 可 明显 看 到 类 似 于 “ 龟 裂 ” 的 镍 结节 状 结构 。通 过 EDX 能 谱 仪 的 分析 ，可发 现 高 含量的 磷 和 镍以 及 低 含量的 锡 。出 现 “ 黑 焊盘 ” 的 情 况 其 实并不 十 分 普 遍 ， 无 需 反…
超越了历史高点，贵金属涂层仍被越来越多地
用于印制电路板表面处理，因此贵金属涂层的
成本通常高于其它涂层。
5.3.3.1 化学镀镍/浸⾦（EIG）化学镀镍/浸
金表面处理是在印制电路板外露铜的表面上，
先沉积 一 层 镍 层 ，随 后 沉 积 一 层薄的金保护
层。浸金的薄层通过阻止高活性的镍表层氧化
以保持其可焊性。镀镍层的出现使得在多次再
流焊
、波峰焊接和手工焊等循环期间，给镀覆
孔孔壁提供了额外的强度。IPC-4552 化学镀镍/
浸金镀层规范，是一本有价值的参考文件。
EIG与SMT、BGA和通孔元器件可兼容。EIG
处理的表面被认为不是金属线可键合的表面。
使用EIG镀层的印制电路板的保存期限为12个
月。通常来说，它在不影响可焊性的情况下，
可以承受4至5个加热循环。
EIG与锡铅和无铅
焊料均兼容，其形成的平整表面可以减少模板
印刷和元器件共面问题。
EIG应用可采用各种化学方法进行，取决于使
用的化学方法，其导致的结果可能会不同。另
外，所使用化学物质和工艺可能会与某些阻焊膜
不兼容。在化学镀镍工艺中所使用的还原剂含有
磷或硼。在化学镀镍沉积的镍还原过程中，无
论是磷还是硼会都会结合在镍沉积中。
这些共
沉积元素含量水平应该控制在规定的范围内。
过高的磷或硼的含量，超出规定的范围，可能
会对可焊性和焊点可靠性产生负面影响。
许多厂商已成功运用EIG。然而，当BGA使用
化 学 镀镍/ 浸 金表面处理时，结果有时不可预
测。近几年出现了两种失效模式，第一种失效
模式是被称为“黑焊盘”的不润湿或退浸润情
况。图5-4展示了由黑焊盘相关的
失效而引发的
裂纹位置。这种失效介于镍和镍锡之间的金属
间化合物中（不是在焊球与镍锡金属间化合物
之间）。
第二 种 失 效 模式是 与 机械应力有关的界面断
裂，这种失效会发生在BGA焊球和镍锡金属间
化合物之间。图5-5举例强调了这两种失效模式
的差异以及它们出现的位置。
从行业协会和个别公司的研究结果表明，“黑
焊盘
”是在浸金镀层工艺时由于化学镍镀层的
过度攻击（过度腐蚀）造成的。当它们以金属
金的形式析出时，电镀液中的金离子吸引金属
镍表面电子；相应的，镍离子被释放到电镀槽
中。由于某种微结构特征，例如涉及的晶粒边
界和电化学，这种置换并不会一直局限在某一
处发生，即金元素的沉积区域与镍离子的释放
区域并不一定会相
同。这种工艺可能的后果是
所选的镍区域会被侵蚀，而留下与焊料形成键
合薄弱的粗糙的富磷层。受此影响的焊点不会
与 印制线路 板形成强健 的 机械连接。其结果
是，即使作用相对较小的外力也能使焊点失效，
暴露的连接盘上几乎没有焊料遗留。连接盘上
Cu
Ni
裂纹
镍-锡金属
间化合物
BGA焊球
IPC-7095c-5-4-cn
图5-4 与⿊焊盘相关的断裂，镍与镍-锌⾦属间化合物
层之间的裂纹
裂纹界面
裂纹界面
焊料
镍-锡金属
间化合物
Ni-P
Ni
Cu
(a)
(b)
焊料
镍-锡金属
间化合物
Ni-P
Ni
Cu
IPC-7095c-5-5-cn
图5-5 裂纹位置 a)与⿊焊盘相关的失效和 b)使⽤EIG
表⾯处理的断裂界⾯
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的暴露镍表面是光滑的，外观颜色从灰色变到
黑色，这是术语“黑焊盘”的由来（见图5-6和
5-7）。由电子扫描显微分析SEM可明显看到类似
于“龟裂”的镍结节状结构。通过EDX能谱仪
的分析，可发现高含量的磷和镍以及低含量的
锡。出现“黑焊盘”的 情 况 其 实并不十 分 普
遍，无需反对将化学镀镍/浸金用作表面处理。
使用这种表面处理的PCB组装厂应该知道这个
潜在问题，学会如何识别并采取纠正措施。
最近分析表明即便没有出现过度侵蚀，焊点的
界面断裂也是发生于镍-锡金属间化合物层和
BGA焊球之间，或发生在高应变／应变率的条
件下。失效已发生在实验室各种试验条件下包括
弯曲、机械冲击和热循环试验。数据表明增加
应变率可将失效模式转变为焊点的界面断裂。
因此如果应变率足够高，即使应变减少也有可
能发生界面 断裂。目前没有行业规范对已组装
BGA（在各种表面处理的PCB板上）进行机械
强度的定量评估。
5.3.3.2 电解镀镍/电镀⾦ 另外一种镍/金组合
方式为电解镍/电镀金表面处理。这种电镀与之
前提过的相类似，但
有与化学镀镍/浸金不同的
晶粒结构，且不会出现“黑焊盘”焊点断裂现
象。电解镀镍/电镀金工艺在图形电镀之后且大
多在阻焊膜施加之前，因此会带来一些表面污
染的风险。在电解镀镍/电镀上施加阻焊膜，比
其它表面处理阻焊膜附着力低，这会导致BGA
组装时的问题，尤其是在返工时。如果覆盖在
BGA连接盘和导通孔之间线条的阻焊坝脱落
，
焊料就会从连接盘流入导通孔，导致焊料不足
或焊点开路。
电解镀镍/电镀金印制电路板的保存期限为12个
月。它可与SMT、BGA和通孔元器件兼容并可
进行金属线键合。通常来说，它可在不影响可
焊性的情况下承受4至5个加热循环。电解镀镍/
电镀金可与锡铅和无铅焊料兼容，其平整的表
面可减少模板印刷和元器件共面问题。
另一个关心的问题是很难控制整块板上
镀金层
的 厚 度。金层可能会过 薄（如 在 密集电路区
域）或过厚（如在孤立电路区域）。后者的情况
可能会因为焊点中金含量过高（>3%）而引起金
脆。金脆化会造成脆弱的焊点连接并最终引起
失效（见图5-8）
图5-6 ⿊焊盘表⾯典型的龟裂外观
图5-7 具有腐蚀针刺的⼤区域严重⿊焊盘，针 刺穿过
浸⾦表⾯底下的富磷层伸进富镍层
2013年1月 IPC-7095C-C
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5.3.3.3 化学镍/钯/浸⾦（EEPIG）除了在镍
层之后而在最后金层之前使用了钯金属层沉积
之外，化学镀镍/化学镀钯/浸金工艺与EIG类
似。钯金属层远比金硬，为表面处理的金属线
键合提供了额外的强度并对防止位于底部的镍
遭到氧化。EEPIG结构如图5-9所示。EEPIG
并非所有印制电路板制造商都能提供，在PCBA
装配厂家中使用也并不广泛。
这种表面处理可与SMT
、BGA和通孔元器件兼
容且可进行金属线键合。镍/金表面处理通常在
不影响可焊性的情况下可承受4至5个热循环。
使用EEPIG镀层的印制电路板的保存期限为12
个月，其平整表面可减少模板印刷和元器件共
面问题。镍/钯/金电镀工艺的高温和低pH值会
与某些阻焊膜不兼容。
EEPIG最适合于无铅焊接。研究已表明EEPIG
用锡铅连接时，并不能产生非常高的可靠性焊
点。钯本身无法与铅形成合金。非合金化的铅
会破坏IMC的形成。当钯加入i3Sn4层后，它
会聚集成明显的区域（远离铅），而形成不均匀
的IMC层。IMC层的过度增长和不均匀分布使得
EEPIG在与锡铅焊料一起使用时的可靠性会下
降。
5.3.3.4 直接浸⾦（DIG）直接浸金是一种通过
化学电镀工艺直接在铜表面进行金沉积的表面
处理工艺。该工艺的图
解如图5-10所示。在铜表
面直接金沉积可以形成很好的覆盖。金沉积的主
要化学反应为自动催化反应而非置换反应。当
金膜厚度在30至80nm的范围之内时，具有良好的
可焊性；然而，底部粗糙的铜层会影响焊料的润
湿。良 好的引线键合特性也来自于中性PH、自
催化型高浓度化学镀金液在薄金上部的电
镀沉
积。DIG在印制电路板供应商中没有广泛普及，
在PCBA装配厂商中也没有广泛运用。
DIG通常在不影响焊接性能的情况下可以承受3
至4个热循环，与阻焊膜也可兼容。DIG镀层的
印制电路板的保存期限为9至12个月，其平整表
面可以减少模板印刷和元器件共面问题。DIG可
能是最适合应用在锡/铅焊接（它未广泛使用的
一个原因
）。无铅焊料的效果（在可焊性和润湿
性方面）通常没有锡铅焊料好。
5.3.3.5 浸银 浸银表面处理是在印制电路板的
外露金属（铜）表层通过选择性置换铜原子和
银原子而实现的。有机物质的沉积作为此工艺
的一部分，它可以减少纯银表面预期的氧化。
图5-8 ⾦脆
金/铜/锡金属
间化合物
微蚀和清洁后的铜面
化学镀镍5um(200微英寸)
化学镀钯0.06um(2.4微英寸)
浸金0.03um(1.2微英寸)
IPC-7095c-5-9-cn
图5-9 化学镍/化学钯/浸⾦的图形描述
微蚀和清洁后的铜面
浸金0.06um(2微英寸)
IPC-7095c-5-10-cn
图5-10直接浸⾦的图形描述
IPC-7095C-C 2013年1月
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