[工作學習] 化學鎳金


    『化學鎳金』是一種通俗說法,正確的名詞應稱為『化鎳浸金』(Electroless Nickel and Immersion Gold: EN/IG)。化學鎳層的生成無需外加電流,只靠 高溫槽液中(約88℃)還原劑(如次磷酸二氫鈉NaH2PO2等)的作用,針對已活化的待鍍金屬表面,即可持續進行『鎳磷合金層』的不斷沉積。


      至於『浸鍍金』的生長,則是一種無需還原劑 的典型『置換』(Replacement)反應。也就是說當『化學鎳表面』進入浸金槽液中時, 在鎳層被溶解拋出兩個電子的同時,其『金層』也隨即自鎳表面取得電子而沉積在鎳金屬上。一旦鎳表面全被金層所蓋滿後,金層的沉積反應逐漸停止,很難增加到 相當的厚度。至於另一系列的『厚化金』,則還需強力的還原劑方可使金層逐漸加厚。


      一般而言,化鎳層厚度幾乎可以無限增長,實用 規格以150~200微吋為宜,而浸鍍金層的厚度則只2~3微吋而己,厚化金有時可達20~30微吋,當然價格也就另當別 論了。後表1即為化學鎳(美式說法稱為無電鎳)之一般物性。

表1.化學鎳(無電鎳)鍍層之重要物理
物 理性質
測值
測試方法
Hardness 硬度500~700 HV100 Vickers
500~700HK100Knoop
45~55 RCRockwell
Density 密度7.9~8.3g/cm3pure Ni=8.90
Melting Point 熔點890℃7
Thermal Expansion 熱膨脹12~15mm/m℃0~100℃
Wear Resistance 耐磨性14~18TWIweight loss
(Taber Wear Index)1000 revs. 10N
Electrical Resistivity 電阻係數55~90mWcm
Elongation 延伸性1~2.5%Instron Pull Test
Internal Stress 內應力0~5 kpsi Tensilefrom 10~6% P:1mil
Thermal Conductivity 導熱係數0.01 cal/cm sec
Phosphorous 磷含量6~10%ICP AA
Grain Size 晶粒大小0.001~0.01mm
(10~100A)X-Ray Diffraction
Tensile Strength 抗拉強度500~750N/mm2Instron Pull Test
      焊接(Soldering)
          事實上板面化鎳金所形成的焊點(Solder Joint), 其對零件之焊接(Soldering)強度(Strength)幾乎全都建築在鎳層表面上,鍍金之目的只是讓鎳面在空氣中受到保護不致鈍化或氧化,維持起碼的焊鍚性(Solderability)而已。金層本身完全不適合焊接,其焊點強度也非常不好。


          在高溫焊接的瞬間,黃金早已與鍚 組成不同形式的『介面合金共化物』(IMC,AuSn,AuSn2,AuSn4等)而逸走,因而真正的焊點基礎都是著落在鎳面上,焊點的強弱與金無關。也就是說銲鍚(Solder)中的純鍚(Tin),會與純鎳形成Ni3Sn4IMCIntermstallic Compound)。薄薄的金層會在很短時間內快速散走,溜入大量的銲鍚中。金層根本無法形成可靠的焊點,而 且金層越厚時溶入銲鍚中也越多,反而使整體焊點強度為之變脆變弱。


      硬度 (Hardness)與打線(Wire Bond)
          化學鎳本身約含磷份6%~10%,此磷含量會影響到硬度。 若此化學鎳金層當成『打線』(Wire Bond)的基地時,則鎳層的硬度頗具關鍵性。硬度不 足加上打線的高溫,會使得板材軟化中(超過Tg)用力壓下打成『扁點』(Wedge Bond)時,其所亟需的支撐力難免會有所欠缺,進而使得對『結合強度』(Bond Strength)的拉力試驗無法及格。


          一般焊接用途的化鎳層並不講究硬度,但汽車零 件中某些指定鍍化學鎳而要求耐磨者,則對硬度絲毫不能含糊。目前開發的『鎳鈀金』三合一化學鍍層,在打線方面的效果要比現行的『鎳金』雙層更好。


      疏孔度(Porosity)
          由於浸金之厚度很薄,難免會有疏孔(Pore)存在,致使底鎳未被完全保護。一旦停留在濕氣環境中稍久,則將產生『賈凡尼』效應(Galvanic Effect)式的電化學腐蝕。也就說當疏孔面對電解質環境時,黃金層將扮演高貴而不腐蝕的『陰極』角色,但 卻強迫底鎳層扮演加速腐蝕的『陽極』倒霉份子。一般EN/IG層根本無法通過『硝酸蒸氣』對疏 孔的檢驗法(IPC-TM-650,2,3,24,2),但卻可採用『紅血鹽』試紙法(Potassium Ferricyanide)去檢測疏孔所出現的藍點。在100倍放大觀察下,良好的化鎳浸金層,其所出現的藍點不可超過10 pores/mm2


          惡劣環境放置太久造成鎳鏽自疏孔向外冒出時,將會使得焊鍚性變差。且該種鎳鏽也無法被一般助焊劑所能清除,即使勉強 將零件腳『焊接』在有問題的『化學鎳金』焊墊上,也是一拉就掉根本未焊牢,因其間並未形成IMC之 故,只是一種冷焊或假焊而已。
            甚至用力拉脫後還常見到底鎳層已經出現黑色的氧化鎳。因而化鎳浸金流程的最後清洗,一定要用良好的熱純水去徹底漂洗清 潔疏孔的化學品,並隨即迅速熱風乾燥與密封包裝,以保護其焊鍚性不致提早結束。之後還需要避免任何酸鹼接觸的機會,且當焊鍚性不佳時也不可採用酸洗,連焊 接所用較強之助焊劑也應徹底除盡,避免在疏孔處繼續底鎳的加速鏽蝕。否則焊點強度減弱隨時都會脫落,甚至分開所見之底鎳多半已經變黑。

          高頻訊號(High Frequency Signal)
              微波通信機器或高頻電子產品(10 GHz以上)中,其所用電路板最好不要鍍EN/IG,也不要採用電鍍 鎳。因在集膚效應(Skin Effect)下,高頻訊號絕大部份是經導線的表皮所傳輸的。銅 的電阻係數最低(1.7mW cm),電鍍鎳不好(7.4mW cm),而化學鎳更差(55~90mW cm),故鎳層會造成高頻訊號(Signal)能量方面的損失(Signal Loss),不可不事先考慮。若必須鍍鎳時其厚度也應低於2.5m m100m in),以減少功能方面的異常,一般業者對比瞭解者不多。
          阻隔效應(Barrier Effect)
              電鍍鎳或化學鎳,對金與銅之間的遷移(Migration)或擴散(Diffusion)都具有阻絕效應,後者尤佳。 當板子處於高溫環境中時,金與銅的『相互往來』將會增快。以板邊金手指而言,其『接觸電阻』(Contact Resistance)的品質對整體功能頗具舉足輕重的地位,一旦金層遭銅侵入,整體功能自然受損。下表2即為各種鎳層厚度經1000小時高溫考驗後,其接觸電阻值劣化 的對照數據。
          表2.電鍍鎳層在不同高溫經1000小時老化後接觸性的保持情形
        G/F中鎳厚度
        65℃中之接觸性
        125℃中之接觸性
        200℃中之接觸性
        0.0mm
        100%
        40%
        0%
        0.5mm
        100%
        90%
        5%
        2.0mm
        100%
        100%
        10%
        4.0mm
        100%
        100%
        60%

            由表2之實驗數據可知,低溫環境中銅與金之間的遷移並不會造成『接觸電阻』的障礙,甚至無鎳層的存在也不致發生太大的麻煩。常 用的大哥大手機與呼叫器等,其化鎳厚度只需80m in即已足夠達到阻隔效應。現實中一般規格對鎳厚都要求在150m in以上,似嫌稍苛。


            化鎳層除了能隔絕銅與金之間的不良『互動』,而將金面的『接觸性』維持良好外,還可阻止焊鍚性 的劣化。因當金層直接觸及銅面時難免不會有少許的銅份混入『金層』,如此一來其焊鍚性將會迅速惡化。化學鎳層在這方面的能耐要比電鍍鎳層高出2~10倍之多,相信是拜鎳磷合金之所賜。
          表3.高溫中銅成份穿過各種厚度化鎳層向金層滲透的結果
        化鎳阻隔厚度
        400℃ 24hr.
        400℃ 53hr.
        550℃ 12hr.
        0.25mm
        0.50mm
        1.00mm
        2.00mm
        1mm
        1mm
        1mm
        no diffusion
        12mm
        6mm
        1mm
        no diffusion
        18mm
        15mm
        8mm
        no diffusion

            事實上當焊接完成後, 其焊點結構成也就開始了緩慢的老化,例如銅與鍚之介面間會在焊接瞬間形成Cu6Sn5之良性『介面合金並化物』(IMC),也唯有如此才得以具備 良好的機械強度(Mechanical Strength)。不幸在銅與鍚的緩慢互動遷移之 下,終究會產生惡性的Cu3Sn以致焊點強度衰退。這種老化現象不但無 法避免,且當環境溫度愈高時衰老也愈快。
        表4.各種金屬溶入銲鍚之溶速
        金屬
        溫度℃
        溶入速度(微吋/秒)
          Gold
        450
        486
        117.9
        167.5
          Copper
        450
        525
        4.1
        7.0
          Palladfum
        450
        525
        1.4
        6.2
          Nickel
        700
        1.7
            由於黃金與銲鍚(Solder)中純鍚(Tin)的形成IMC與後續老化兩者速度均極快,致使兩者之間根本 不能共築可靠的焊點。凡當『化鎳浸金』之處理層用於焊接時,其焊點完全是生長在化鎳層面上,形成Ni3Sn4IMC焊點介面,浸金層只是做為化鎳表面的保護皮膜,避免 生鏽維持其應有的焊鍚性而已。


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