工作環(huán)境對電子產(chǎn)品的某些功能如按鍵或開(kāi)關(guān)等，其外露金屬皮膜區域的可靠度，將會(huì )對產(chǎn)品帶來(lái)某些程度的影響。由于此等區域并無(wú)綠漆或其它封膠類(lèi)所保護，因而必須靠其本身能力以抵抗所處的腐蝕環(huán)境，例如高濕或污染性氣體等。板面各種互連點(diǎn)遭到腐蝕后可能會(huì )導致斷路或短路，對整體組裝成品而言，電路板最終皮膜已成為重要的課題。就長(cháng)期可靠度而言，該等皮膜還可做為金屬相互擴散的屏障層，以保護底銅墊在高溫中不致氧化。電路板加工-焊接后銅面所生成的介金屬（IMC），對于介面間所出現熱脹系數（CTE）之不匹配（Mismatchs ），也可扮演一種緩衝的角色，而不致造成硅晶片的拉裂。但此種IMC其本身最好也不要具有脆性（Brittleness）而使得銲點(diǎn)強度會(huì )更好。

一 、電路板測試之一化鎳浸金(ENIG)皮膜的測試

就ENIG皮膜之銲點(diǎn)強度而言，本文就其可靠度測試的變數將包括：化鎳層的厚度〈分別是3μm與6μm)、浸金層厚度〈分別是0.06μm與0.14μm)、以及磷含量的不同等。本文中所指的"中磷"其含磷的重量比是在7-9wt%之間，"高磷"另為9.5-13 wt%。由于高磷鎳層的抗蝕性較強，因而會(huì )減慢黃金層置換沉積的速率，以致常規操作參數下將無(wú)法達到0.06μm的厚度。

ENIG皮膜上銲點(diǎn)的形成，是黃金層會(huì )迅速溶入（Dissolve）高溫的液錫中，而銲點(diǎn)基礎的IMC(Ni3Sn4)則是生長(cháng)在底層磷鎳合金的基地上。銲點(diǎn)強度會(huì )受到IMC本身性質(zhì)的影響，這早已是眾所週知的事實(shí)。也就是必須備有均勻與密實(shí)的IMC，其銲點(diǎn)才會(huì )呈現良好的展性(Ductile)而非脆性。

二、試驗過(guò)程的說(shuō)明

取BGA封裝載板為試驗樣板，分別製備不同厚度與不同磷含量的ENIG皮膜，并利用X螢光儀(XRF)與掃描式電子顯微鏡(SEM)針對微切片再進(jìn)行檢測，然后又進(jìn)行"推錫球剪力試驗"，且分兩階段進(jìn)行：

第一階段：試驗用載板其焊墊表面綠漆設限(SMD)之開(kāi)口直徑為600μm ，所植著(zhù)錫球（Sn/Pb)的直徑為760μm，并以不同磷含量的ENIG皮膜來(lái)比較銲點(diǎn)介面的脆性化。

第二階段：另採直徑為760μm的錫銀銅(SAC)無(wú)鉛錫球，也同樣採用開(kāi)口直徑為600μm綠漆設限的焊點(diǎn)進(jìn)行植球。然后再進(jìn)行1000次溫度循環(huán)（-55℃到125℃），過(guò)程中之高低溫停留時(shí)間均為15分鐘，環(huán)境轉換則僅需3秒鐘，然后比較不同磷含量的脆裂行為。銲點(diǎn)強度是以Dage PC2400式剪力儀進(jìn)行推錫球之試驗。

同時(shí)也進(jìn)行兩種打線(xiàn)與隨后的拉力強度試驗：

鋁線(xiàn)拉力：是針對不同磷含量的ENIG，就其原本收到狀態(tài)與150℃軔化4小時(shí)后，等兩種情況進(jìn)行拉力對比。

金線(xiàn)拉力：就不同磷含量的ENIG皮膜，與電鍍鎳金皮膜進(jìn)行對比。

上述鋁線(xiàn)是採用Heraeus公司之產(chǎn)品，含1%硅，而直徑為32μm的鋁線(xiàn)。至于金線(xiàn)則亦為該公司之產(chǎn)品，是一種直徑30μm的Au-Beta金線(xiàn)。所用的拉力機則仍為Date BT 2400PC之機種，并備有可拉起打線(xiàn)的特殊鉤子，還可紀綠下所使用的最大力量，以及顯微觀(guān)察裂口處情況以找出失效模式的顯微鏡。

三、電路板測試之二錫球剪力試驗

此即BGA載板生產(chǎn)者與封裝者常用的推球剪力試驗，其植球墊為"之綠漆設限（SMD)方式，此種做法可使得銅墊自基板上被拉脫浮離的機會(huì )，要比PCB板面"非綠漆設限"（NSMD)者要來(lái)得較小，如圖1所示。

圖1、左為綠漆設限的植球墊。右為非綠漆設限或全銅設限之焊球墊

針對銲點(diǎn)所施加的推力，一旦當銲點(diǎn)強度較強時(shí)，甚至會(huì )造成銅墊自基材板面的浮離，或造成IMC處的斷裂，或任何介面間的其他裂口（見(jiàn)圖3）。

將BGA錫球以模擬植球方式使之焊接在SMD焊墊上，然后用Dage PC2400去進(jìn)行推球試驗。下圖2即為試驗所呈現的推力與球腳銲點(diǎn) 變形的對應圖。當圖中的曲線(xiàn)出現平緩下降時(shí)，即表示被推后的變形是屬于球體本身的"展性"塑變之良性斷裂，若曲線(xiàn)呈現急速下降者即表示已發(fā)生“脆性”的不良斷裂。

圖2、推錫球剪力試驗的示意圖與SEM對組織就其展性與脆性的顯示畫(huà)面。

由各種強力推裂球體的結果來(lái)進(jìn)行失效分析（見(jiàn)圖4)，通?？蓪㈤_(kāi)裂模式區分為展性的開(kāi)裂（即圖3中的Model)與銅墊自基板上浮離（Mode4)等兩種與焊接強度無(wú)關(guān)的良性開(kāi)裂，以及銲點(diǎn)強度不足而在IMC處開(kāi)裂的"脆性"不良裂口等。

圖3、經(jīng)推球剪力試驗后，對各種開(kāi)裂位置的分類(lèi)說(shuō)明

（一）、第一階段：ENIG皮膜厚度對銲點(diǎn)強度的影響

下圖4即為一系列推球剪力試驗的結果整理，其皮膜中化鎳層的含磷量分別是7-9wt%以及9.5-13wt%?；噷雍穸绕骄謥言?.2-6.1μm之間，而浸金層之厚度則在0.06-0.15μm之間。

試樣中金層較薄者（0.06-0.07μm）其主要開(kāi)裂的位置多集中在Mode 4的銅墊浮離〈表示銲點(diǎn)強度很好）。不過(guò)中磷鎳（7-9wt%）而厚度又較薄者，其開(kāi)裂中已出現少數Mode 3的不良裂口 ，但在高磷鎳層中卻未發(fā)現此等不良。但當金層較厚(＞0.11μm)，則不管鎳層厚度如何，發(fā)生于鎳層與IMC層介面間的不良開(kāi)裂，其數量均呈現相對性的多數。至于高磷鎳層(9.5-13wt%）無(wú)論其厚度如何，只要金層較薄者（0.06μm）均未發(fā)現脆性之不良開(kāi)裂。

圖4、在開(kāi)口直徑為600μm的SMD焊墊上，對其化鎳浸金層所測到的開(kāi)裂情形

（二）、第二階段：ENIG不同磷含量對銲點(diǎn)強度的影轡

此階段的硏究系針對銲點(diǎn)經(jīng)熱循環(huán)（TC)后再檢查其銲點(diǎn)強度，以及瞭解熱循環(huán)前后在IMC方面的變化等，現分述于后：

（1）、熱循環(huán)（TC)之前

下圖5為熱循環(huán)前對錫球推力與銲點(diǎn)變形伸長(cháng)之對應圖，其中5μm鎳層厚度之含磷量為8．0 wt% ，金層厚度為0.8μm。此種皮膜所形成銲點(diǎn)之剪應力變化過(guò)程，是當推力上升到高點(diǎn)后即呈現平緩的下降，也就是銲點(diǎn)在抵抗強推中呈現良好的展性（或塑性）變形。至于高磷者（11.2 wt%）其'推力與伸長(cháng)"的對應曲線(xiàn)也出現類(lèi)似的良好曲線(xiàn)，說(shuō)明此等銲點(diǎn)強度都很好。

圖5、銲點(diǎn)熱循環(huán)之前，鎳層厚度5μm（8.0 wt%）搭配金層厚度0.08μm者，所呈現推球試驗之結果。

（2）、熱循環(huán)（TC)之后

上述ENIG皮膜的試樣其銲點(diǎn)經(jīng)熱循環(huán)后，所呈現'推力與伸長(cháng)'的對應圖中，也出現良性平坦緩降的曲線(xiàn)。其等銲點(diǎn)強度之推力變化是在5-16N之間。所執行的熱循環(huán)試驗是在-55℃/+125℃之間共做了1000次。

至于5μm厚高磷鎳〈11.2wt%〉搭配0.05μm金層的試樣，其銲點(diǎn)經(jīng)熱循環(huán)后，其"推力與伸長(cháng)"曲線(xiàn)圖的變化也不大。所用之推力則集中在11-1損之間，且到達推力最高數値后也呈現平坦的緩降，說(shuō)明了銲點(diǎn)也現了良好的展性變形。

銲點(diǎn)經(jīng)熱循環(huán)與推球試驗后，對中磷試樣的開(kāi)裂硏究還做了微切片的觀(guān)察，確實(shí)發(fā)現裂口是非常接近IMC層的不良脆裂。但就高磷銲點(diǎn)的各試樣而言，其裂口則多發(fā)生在錫球本身，說(shuō)明了銲點(diǎn)強度良好的特徵，且其兩類(lèi)1^：的結構也有所不同。

（3）、熱循環(huán)（TC)前后IMC結構的改變

當PCBA加工廠(chǎng)對各試樣均完成推球試驗后，曾針對每個(gè)試樣都做過(guò)詳細硏究。且利用某特化學(xué)蝕刻的技術(shù)將銲點(diǎn)的塡錫本體予以清除，而直接觀(guān)察介面所露出的IMC結構組織，發(fā)現磷含量在焊接中的確會(huì )影響到IMC的結構組織。下列圖 6均為熱循環(huán)前所呈現的IMC組織。兩者的磷含量分別是8.0wt%與11.2wt%。，但卻呈現類(lèi)似'針狀組織"的畫(huà)面，其中磷者的結構比起高磷者，不但顆粒較大而且也較鬆散。

不過(guò)銲點(diǎn)經(jīng)熱循環(huán)之后其IMC卻發(fā)生了極大的變化，尤其以磷量8.0wt%，其IMC的變化尤其明顯。該IMC結構不但仍具針狀外，而且還變得更加肥厚。至于高磷11.2 wt%者，其顆粒不但變大而且也更為密實(shí)。

圖6、左為從SEM放大5000倍下所見(jiàn)到含磷8.0wt%鎳層表面的IMC結構情形，右為高磷者11.2wt%IMC的結構情形。

由TC前后對比可看出，原本銲點(diǎn)底部針狀的IMC已轉變成為肥厚型的IMC了。并進(jìn)一步還可得知，此種IMC的成長(cháng)也受到了化學(xué)鎳層晶界的影響，此等GB不但是最容易溶入或攻入的軟弱疆界，且還更與IMC成長(cháng)的機制有關(guān)。

圖7、左為電路板焊點(diǎn)經(jīng)TC后從SEM放大5000倍所見(jiàn)到的中磷鎳面上形成的IMC外貌，右為高磷鎳面上形成的IMC外貌
由于高磷鎳層的抗蝕能力很強，于是在金水中應該發(fā)生的置換反應也就變慢了。

Ni十2Au- → Ni++ 十2Au↓

一般人認為中磷(8.0 wt%)者焊后會(huì )出現外觀(guān)較粗糙的針狀I(lǐng)MC結構，也正是出自晶界容易遭到攻擊的事實(shí)，然而當金屬厚度控制在較薄狀態(tài)〈0.08μm)時(shí)，則該種鎳層晶界所受到的攻擊也已較多減輕，故知磷含量的多寡將成為焊接中鎳層溶入液錫而生成IMC的重要影響因素。

下圖8可從SEM的畫(huà)面中見(jiàn)到ENIG鍍層表面（含磷8.0 wt%）出現瘤狀結構的形貌，另圖8右 則為高磷11.2wt%放大所見(jiàn)之化鎳層表面形貌。

圖8、左為含磷8.0wt%的化鎳表面經(jīng)SEM放大5000倍所見(jiàn)到的畫(huà)面。

右為含磷11.2wt%的化鎳表面經(jīng)SEM放大5000倍所見(jiàn)到的畫(huà)面