PCB“黑盤”會給焊點的可靠性帶來災難性影響，造成電子產品的質量事故，重則給企業帶來巨額損失。而國內電子產品企業PCB“黑盤”質量事故卻屢見不鮮！

　　PCB“黑盤”事故為何頻頻發生？

　　化學鎳金（ENIG）“黑盤”的風險又是否可以規避？

　　在此，云漢電子社區帶你對ENIG“黑盤”一探究竟，本文將為業界同行揭示PCB“黑盤”事故的危害、產生機理及規避方向。

　　PCB是電子工業的重要部件之一，幾乎所有的電子設備，小到日常生活中隨處可見的電子手表、計算器，大到計算機、通訊電子設備、飛機、雷達等，只要有集成電路等電子元器件的電氣互連，就必然會使用PCB。

　　PCB為什么會出現“黑盤”？首先，我們需要了解清楚什么是PCB表面處理，以及目前業界流行哪些類型的PCB表面處理。

　　什么是PCB的表面處理？

　　銅作為PCB內外層互連的優良導體，具有良好的導熱性和導電性。裸銅本身可焊性很好，但暴露在空氣中很容易氧化和受到污染，而銅的氧化層對焊接有極大的危害，能導致焊接時無法上錫（焊錫性不良），甚至元器件與焊盤無法焊接。

　　而PCB的表面處理便是在焊盤表面和鍍覆孔內涂（鍍）覆一層物質，確保焊盤和鍍覆孔不被氧化。這里的“表面”是指PCB上提供給電子元器件與PCB電路之間電氣連接的連接點銅面，如焊盤或接觸式連接點、電子元器件的插件孔等。

　　通俗地講，表面處理最基本的目的就是保證PCB具有良好的可焊性或電性能，給銅面穿上一層抗氧化和可焊性的“外衣”。以化學鎳金（ENIG）表面處理為例，經過ENIG前后的焊盤截面對比如下圖1所示：

圖1表面處理前后焊盤截面對比示意圖

　　當前PCB最流行的表面處理是什么？

　　目前業界有多種PCB表面處理工藝，沒有哪一種最完美，所以才會有這么多種選擇，每一種表面處理都有各自的優缺點。常見的類型有化學鎳金（ENIG）、熱風整平（包括有鉛噴錫HASL、無鉛噴錫LF-HASL）、有機抗氧化膜（OSP）、電鍍鎳金、化學銀（IAg）、化學錫（ISn）、化學鎳鈀金（ENEPIG）。據不完全統計，近幾年全球PCB各類型表面處理的市場份額如下圖2所示：

圖2近幾年全球PCB各類型表面處理的市場份額

　　從圖2中可以明顯看出，當前化學鎳金（ENIG）仍占據了PCB表面處理市場份額的1/3以上，仍是業界PCB表面處理的主流，頗受下游客戶青睞，尤其在歐美、日本、韓國、東南亞國家及臺灣地區其應用尤為廣泛。

　　但ENIG也有其自身弱點，尤其對于含密集QFP/SOP/小PAD或BGA來說（圖3和圖4），若制程管控不好，鎳（Ni）表面會被腐蝕而出現焊盤黑化（又稱黑盤BlackPad、黑鎳、鎳腐蝕）的現象。鎳（Ni）表面過度腐蝕會使焊接表面的潤濕性和連接性能嚴重下降，焊料與被腐蝕的鎳（Ni）表面會承受較大的應力，從而使其與Ni接觸的界面開裂破碎而形成黑色的Ni表面，即黑鎳。

　　這里需要特別說明一下，為什么往往密集QFP/SOP/小PAD或BGA出現“黑盤”的風險要高些呢？因為在相同的藥水條件、設備條件下，單位面積的金濃度的提供量是基本相同的。相同的浸金時間下，隨著PAD面積的增大，金厚度越薄。隨著金缸內鎳與金置換反應時間的延長，金厚會變厚。在金厚要求的基準下（相同的金厚要求），由于沉金時大PAD處單位條件下需要的金濃度比小PAD的多，當小PAD達到金厚要求時，大PAD仍未達到，所以必須延長浸金時間或提高浸金活性（在時間一定條件下）方能達到金厚要求，此時小PAD的金厚是偏厚的，小PAD產生黑盤的機率變大。

圖3含密集QFP/SOP/小PAD和BGA的PCB

圖4含密集QFP/SOP/小PAD和BGA的PCB

　　ENIG“黑盤”猶如PCB焊接工藝中的“隱形”殺手，其產生過程很隱蔽，從外觀難以被發現，很容易導致不合格品流入客戶端，一旦“潛伏”，裝配后的PCBA將面臨“全盤皆輸”的報廢風險（如元器件焊點強度不足導致功能失效），即便焊接了再昂貴的元器件（如IC）也難逃報廢厄運。這種“隱形”缺陷往往在經過波峰焊或回流焊后也不容易被發現，而總是在產品流入市場之后才開始表現出早期失效，如焊點強度不足導致開路，從外觀上看焊點發黑，很多企業并不能分析出產品失效的真正原因，而簡單地認為是焊接過程出現的問題。

　　黑盤”缺陷通常呈現“隱蔽性強、批量大、涉及面廣、返修困難”的特點，一直困擾著國內眾多PCB中小型生產企業和下游客戶，尤其對下游客戶的生產造成重大的負面影響。

　　2013年，國內C公司SMT生產線在批量生產料號ME08N2013A的PCBA過程中，過爐后發現元件面表面貼和焊接面孔盤潤濕不良，潤濕不良區域的焊盤發黑，且部分孔壁上錫不飽滿；因此導致掉器件和焊點強度不足，如下圖5至圖8所示：

　　此時SMT已批量生產單板數量412pcs，不良板數量高達375pcs，不良率高達91%。修理難度極大，不良板幾乎全部報廢。單板PCB為某S公司PCB廠生產。PCBA單板成本（含所有元器件成本和加工成本）為1578美元/pcs。C公司向S公司提出索賠，索賠金額合計591750美元，折合366.9萬元人民幣。因在焊接不良責任主體方面C公司與S公司爭論無果，于是雙方同意交由第三方權威機構分析焊接不良真因。第三方權威機構通過分析，最終鎖定焊盤潤濕不良的罪魁禍首是ENIG“黑盤”。

　　下圖9至圖10為第三方權威機構分析結果。

　　說明：IMC是IntermetallicCompound的縮寫，介面金屬間化合物，ENIG在焊接過程中錫和鎳形成的共晶化合物是Ni3Sn4

　　正常焊盤鎳面SEM和截面SEM照片如下圖11和圖12所示：

　　通過上文，大家了解清楚了PCB的表面處理，我們現在就可以接著分析“黑盤”的產生機理了，以及，最重要的，我們該如何規避“黑盤”風險。

　　“黑盤”的產生機理是什么？

　　ENIG“黑盤”（BlackPad）的組成成分是氧化鎳（NixOy），其產生的根本原因是鎳表面被過度氧化（鎳原子氧化為鎳離子），因體積比鎳原子大的金原子的不規則沉積，形成疏松多孔的晶粒結構，底鎳在“化學電池效應”（又稱“賈凡尼效應”）的驅動下而不斷被氧化老化，以致在金面底下產生未能溶走的“鎳銹”累積而成。

　　浸金反應機理：2Au++Ni→2Au+Ni2+。這里為方便理解浸金反應及黑盤產生機理，以圖13示意如下：

圖13浸金反應及黑盤產生機理示意圖

　　黑盤現象主要由以下四個方面引起：

　　（1）鎳層磷含量太低，鎳膜抗腐蝕性差；磷含量對化學鎳磷層的沉積結構和抗腐蝕性有直接影響。大量試驗和研究表明，一般使用中磷化學鍍鎳液，鎳層磷含量控制在6％～9％（中磷）較好；

　　（2）鎳晶粒生長不均一，晶粒間存在很大裂紋，鎳膜致密性差；

　　（3）浸金時金鎳置換反應加速使得鎳腐蝕加劇，藥水不斷腐蝕鎳表面產生裂紋；

　　（4）ENIG后的PCB長期暴露于潮濕或惡劣的環境中鎳層被腐蝕。

　　因Ni-Au層Au層薄、疏松多孔，在潮濕或惡劣的空氣中，Ni為負極，Au為正極，由于電子遷移產生電化學腐蝕（賈凡尼腐蝕），造成鎳面氧化生銹。嚴重時，也會在波峰焊或回流焊后發生潛在的黑色鎳銹，導致可焊性劣化與焊點強度不足，原因是金面上的助焊劑或酸性物質通過孔隙滲入鎳層。

圖14黑盤鎳面龜裂SEM圖

　　如何規避ENIG“黑盤”風險？

　　規避ENIG“黑盤”風險以提升PCB可靠性的探索之路從未止步，業界也曾摸索出了一些規避ENIG“黑盤”風險的方案：

　　早期選擇性化金（ENIG+OSP）工藝曾一度受到熱捧。選擇性化金（ENIG+OSP），顧名思義，即在PCB焊盤表面，部分區域選擇性采用ENIG涂覆工藝，其他密集QFP/SOP/小PAD或BGA區域采用OSP涂覆工藝。但這種工藝也存在一定的弊端，主要表現為：1）工藝流程長、成本高；2）若ENIG制程管控不好，也同樣存在品質風險。

　　還有業界新發展起來的化學鎳鈀金工藝（ENEPIG）也是一種規避“黑盤”風險的方案，但由于其藥水成本高、藥水維護難度大等原因，目前還沒有大批量推廣應用。

　　ENIG工藝在國內外均被廣泛使用，在國外PCB“黑盤”的報道并不多見，而國內PCB“黑盤”的質量事故則屢見不鮮，以至于人們往往“談虎色變”。

　　國內中小型PCB企業往往為了節省成本，亦或者沒有專業和系統化的ENIG制程管理知識和經驗，長期疏于對ENIG“黑盤”進行預防，如對ENIG藥水體系的選擇、鍍鎳關鍵工藝參數、鎳槽鍍液使用壽命（MTO）、鍍金關鍵工藝參數、金槽鍍液使用壽命（MTO）、PCB存放環境等方面管控不到位，以至于時有“黑盤”質量事故爆發，使企業蒙受巨大的經濟損失，而至此企業人員才追悔莫及。

　　作為國內電子行業領先的技術服務平臺，壯壯優選有專業的PCB質量管理專家團隊，對PCB“黑盤”有著豐富的處理經驗，可為電子企業提供PCB全方位技術支持和相關解決方案：如PCB供應商質量管理、PCB供應商質量能力評估等。如果您的產品遭遇BGA異常失效，或者如果您對PCB“黑盤”還有疑惑，還在因PCB“黑盤”而頭疼不已，歡迎與壯壯優選交流。

　　我們認為，只有基于專業的PCB技術能力和質量管理，才能成就一流的PCB品質。