關(guān)于ENIG焊盤焊接中柯肯達(dá)爾空洞與Ni氧化問題的技術(shù)解析

一、柯肯達(dá)爾空洞（Kirkendall Void）的形成機(jī)制與影響

不同原子擴(kuò)散與界面反應(yīng)速率不同

Au溶解與IMC形成：焊接時(shí)，ENIG焊盤中的Au層迅速溶解到錫鉛焊料中，與Sn反應(yīng)生成AuSn?金屬間化合物（IMC）。同時(shí)，焊料中的Sn與Ni層反應(yīng)生成Ni3Sn4 IMC。

富P層的伴生：由于Ni層中摻雜磷（P），在Ni3Sn4生長過程中，P被排擠至界面附近，形成非晶態(tài)富P層（Ni-P+層）。

空洞形成原因

Ni擴(kuò)散與晶格失配：Ni原子向焊料中擴(kuò)散的速度快于Sn原子向Ni層的反向擴(kuò)散，導(dǎo)致界面處形成原子通量不平衡。這種不平衡在Ni3Sn4與富P層之間引發(fā)微小空洞，即柯肯達(dá)爾空洞。（圖1-17）。

圖 1-17 柯肯達(dá)爾空洞

溫度依賴性：富P層在低于其自結(jié)晶溫度（如再流焊210℃）時(shí)發(fā)生晶化，加劇了空洞的形成。

對(duì)焊點(diǎn)可靠性的影響

富P層增厚風(fēng)險(xiǎn)：富P層越厚，空洞數(shù)量越多，導(dǎo)致焊縫機(jī)械強(qiáng)度下降，甚至引發(fā)開裂。

控制策略：

優(yōu)化Ni層磷含量（通常3-7 wt%），平衡耐蝕性與IMC生長速率。

控制焊接溫度曲線（如峰值溫度、升溫速率），減少Ni過度擴(kuò)散。

添加微量元素，形成特定的金屬粒子抑制原子擴(kuò)散。

二、Ni氧化問題與焊接失效

氧化機(jī)理

Au層缺陷：若ENIG工藝中Au層過薄（<0.05 μm）或儲(chǔ)存時(shí)間過長，Ni表面暴露于環(huán)境，發(fā)生氧化生成NiO。

潤濕性喪失：氧化后的Ni層無法被焊料潤濕，導(dǎo)致IMC無法連續(xù)形成，僅殘留Au-Sn團(tuán)狀I(lǐng)MC（如AuSn?）。

失效表現(xiàn)

界面形貌：焊接界面呈現(xiàn)“島嶼狀”IMC分布，缺乏連續(xù)的Ni3Sn4層（圖1-18）。

圖 1-18 Ni氧化導(dǎo)致的團(tuán)狀 IMC 及焊點(diǎn)脆斷現(xiàn)象

力學(xué)性能：焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度顯著降低，易在熱循環(huán)或振動(dòng)條件下失效。

預(yù)防措施

工藝控制：

確保Au層厚度≥0.05 μm，避免針孔缺陷。

縮短PCB儲(chǔ)存時(shí)間（建議<6個(gè)月），控制濕度（<30% RH）。

焊接前處理：

對(duì)長期存放的PCB進(jìn)行等離子清洗或微蝕刻，去除表面氧化物。

采用含潤濕力強(qiáng)的焊膏，增強(qiáng)潤濕性。

三、綜合優(yōu)化建議

材料選擇：

使用低磷含量Ni層（3-5 wt%），平衡耐蝕性與IMC生長速率。

選用無鉛焊料（如SAC305），減少Sn-Pb共晶對(duì)IMC生長的催化效應(yīng)。

工藝優(yōu)化：

再流焊溫度曲線：

峰值溫度控制在245-255℃，避免長時(shí)間高溫導(dǎo)致Ni過度擴(kuò)散。

延長200-220℃保溫段，促進(jìn)IMC均勻生長。

氮?dú)獗Ｗo(hù)：降低氧含量至<50 ppm，減少Ni氧化風(fēng)險(xiǎn)。

檢測(cè)與監(jiān)控：

SEM/EDS分析：定期檢測(cè)焊接界面IMC厚度（理想值1-3 μm）與空洞率（<5%）。

可靠性測(cè)試：進(jìn)行熱循環(huán)（-55℃~125℃，1000次）與振動(dòng)測(cè)試，驗(yàn)證焊點(diǎn)壽命。

通過上述措施，可有效抑制柯肯達(dá)爾空洞與Ni氧化問題，提升ENIG焊盤在復(fù)雜工況下的可靠性。

審核編輯 黃宇