，

(四川華豐企業(yè)集團(tuán)有限公司，四川綿陽(yáng)，621000)

1　前言

錫釬焊是最基本的一種電子裝聯(lián)工藝。無(wú)論是穿板波烽焊、回流焊，還是表面貼裝的回流焊，以及烙鐵焊接，對(duì)元器件的可焊性以及焊點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度、抗機(jī)械和熱應(yīng)力沖擊能力都有明確的要求，以保證機(jī)電設(shè)備的長(zhǎng)期可靠使用。焊接過(guò)程雖然時(shí)間不長(zhǎng)，但卻包含極其復(fù)雜的冶金變化，金屬特別是鍍層與焊料的相互作用及其結(jié)果，直接影響可焊性及焊點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度、抗應(yīng)力沖擊能力，需要高度重視。

2　電子元器件中鎳和鎳磷合金鍍層　的應(yīng)用

2.1　鎳和鎳合金作為鍍金或鍍錫底層的應(yīng)用

電子元器件中，鍍金和鍍錫一般都會(huì)采用鎳或鎳合金作為底層，以提高產(chǎn)品的耐環(huán)境腐蝕能力或可焊性，以及插拔接觸的可靠性。鍍層中鎳質(zhì)量比例低于99%的，一般稱(chēng)為鎳合金。常用的底鎳層有低應(yīng)力鎳、半光亮鎳、光亮鎳，近二十年左右低磷或中磷的高溫鎳和高磷鎳不乏應(yīng)用，還有納米鎳鎢合金也在推廣。鎳磷鍍層既可以化學(xué)鍍獲得，也可以電鍍沉積。在PCB和倒裝芯片上用ENIG，即化學(xué)鍍鎳/浸金工藝，已有較長(zhǎng)的歷史，其底鎳層是化學(xué)鍍的鎳磷合金。為防止黑焊盤(pán)現(xiàn)象，前幾年有采用ENEPIG的工藝，即化學(xué)鍍鎳/化學(xué)鍍鈀/浸金。在PCB領(lǐng)域鎳磷合金及其在產(chǎn)品組裝使用過(guò)程中的表現(xiàn)有比較充分的研究。

但在連接器領(lǐng)域的鍍金底層方面，無(wú)論是化學(xué)鍍鎳磷還是電鍍鎳磷，應(yīng)用不太廣泛。從20世紀(jì)80年代以后，電子信息產(chǎn)品的廣泛需求，芯片的封裝框架和電子模塊化功能器件之間連接點(diǎn)位呈幾何量級(jí)增加，基于降本而不降低可靠性的研究，開(kāi)發(fā)了鈀鎳/金代金的，在封裝框架和電子連接器上廣泛應(yīng)用。90年代開(kāi)始，高溫鎳/錫的工藝體系逐步應(yīng)用，以解決錫鍍層高溫回流焊接時(shí)發(fā)生變色的問(wèn)題，其中的高溫鎳就是含磷量3%左右的鎳磷合金。2005年左右，銅基體上鍍高磷鎳/閃金，由于耐腐蝕能力強(qiáng)，以及高溫老化、蒸汽老化后可焊性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通鎳/閃金，所以用以代替鎳/厚金的工藝體系在連接器行業(yè)逐步興起。與此同時(shí)，基于鍍金件耐蝕性的考慮，納米鎳鎢合金底鍍層工藝作為另外一條線路也在展開(kāi)。

同時(shí)，因?yàn)楦吡缀挎嚵缀辖鹁邆淇勾判裕詫?duì)20GHz以上高頻信號(hào)、毫米波信號(hào)的傳輸失真、三階交調(diào)等指標(biāo)影響小，與鍍銀和銀的替代鍍層銅錫鋅三元合金相近，因此在射頻連接器上用高磷鎳代替普通鎳鍍層也顯得科學(xué)合理。

總之，銅基材鍍鎳鍍金產(chǎn)品的低成本高性能需求驅(qū)動(dòng)，和鍍錫表面高溫回流變色狀況消除的要求,是鎳磷合金鍍層打底應(yīng)用的契機(jī)。根據(jù)不同的使用場(chǎng)合，選擇不同的含磷量和鍍覆工藝。在電子電鍍領(lǐng)域，因?yàn)殡婂児に囅鄬?duì)于化學(xué)鍍工藝的電解液壽命優(yōu)勢(shì)，電沉積工藝逐步取代化學(xué)鍍鎳方式。

2.2　各種鎳和鎳合金用作鍍金/鍍錫底層的特點(diǎn)評(píng)述

鎳作為鍍金底層，阻擋底材銅鋅等元素向表面的擴(kuò)散，避免外觀變色和電接觸不良的發(fā)生。同時(shí)，因?yàn)殄兘饘硬豢赡苠兲?，利用鎳相?duì)的惰性，可保證鍍金件較高的抗大氣腐蝕能力。但是在鹽霧環(huán)境中，底鎳層與表面的金層形成原電池，發(fā)生電化學(xué)腐蝕還是很快的，具有動(dòng)力學(xué)緩蝕能力的鎳磷和鎳鎢合金的應(yīng)用應(yīng)運(yùn)而生。

鎳也作為可焊性功能的錫鍍層的底層，對(duì)黃銅基體上鍍錫的功能保障作用顯著。在高溫下，鎳磷合金則有更為突出的保護(hù)作用，因而被稱(chēng)為高溫鎳。使用鎳磷合金作為鍍錫底層，可大幅提高鍍錫層在高溫烘焙時(shí)抗變色、高溫及蒸汽老化后可焊性的能力，相關(guān)論述可以參考《防止錫回流變色的連接器電鍍工藝》[1]和《連接器錫鍍層的開(kāi)發(fā)》[2]。

高磷鎳/金的鍍層，具有優(yōu)良的耐蝕性，在遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于軍用鍍金件厚度標(biāo)準(zhǔn)的條件下，其耐鹽霧和硝酸蒸汽、二氧化硫等試驗(yàn)的能力相近。比如，銅基體零件2微米高磷鎳打底鍍金0.2微米時(shí)，通過(guò)48～96小時(shí)鹽霧試驗(yàn)和60分鐘至120分鐘硝酸蒸汽試驗(yàn)，而普通鎳2微米鍍金，需要1微米左右，才能順利通過(guò)相同試驗(yàn)。尤其是銅素材上只鍍3微米鎳磷合金時(shí)，鹽霧能力即達(dá)到240小時(shí)以上；二氧化硫試驗(yàn)也沒(méi)有問(wèn)題，而普通鎳是不可能通過(guò)的。

高磷鎳耐蝕能力非常好[3]。Ni-P鍍層耐蝕性能與磷量密切相關(guān)，高磷鍍層耐蝕性能優(yōu)越源于它的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。非晶態(tài)與晶態(tài)的本質(zhì)區(qū)別在它們的原子排列是否周期性，由于固體化學(xué)鍵的作用從短程看二者都是有序的，非晶的特性是不存在長(zhǎng)程有序，無(wú)平移周期性。這種原子排列的長(zhǎng)程無(wú)序，使非常均勻的Ni-P固溶體組織中不存在晶界、位錯(cuò)、孿晶或其他缺陷。另外，非晶態(tài)鍍層表面鈍化膜性質(zhì)也因?yàn)榛w的特征，其組織也是高度均勻的非晶結(jié)構(gòu)，無(wú)位錯(cuò)、層錯(cuò)等缺陷，韌性也好，不容易發(fā)生機(jī)械損傷。與晶態(tài)合金對(duì)比，非晶態(tài)合金鈍化膜形成速度快，破損后能立即修復(fù)而具有良好的保護(hù)性。

研究[3]發(fā)現(xiàn)Ni-P合金在酸性介質(zhì)中形成的鈍化膜是磷化物膜，其保護(hù)能力比純鎳鈍化膜強(qiáng)。例如，Ni-P合金在稀鹽酸中腐蝕，磷量低時(shí)磷促進(jìn)鎳的活性溶解。小于8%P的鍍層表面有黑灰色的腐蝕產(chǎn)物，用俄歇電子譜儀測(cè)定表面一定深度處發(fā)現(xiàn)Ni、P及O三種元素，光電子能譜儀進(jìn)一步證實(shí)它是鎳的磷酸鹽膜。但大于8%P的高磷鍍層腐蝕后表面呈灰白色，一般尚能保持光潔，俄歇電子譜儀觀測(cè)到約10納米深處有Ni、O，是氧化鎳層，依次在20納米深處是Ni、P及O共存，是磷酸鹽層，內(nèi)層則為富P的Ni、P層，P量約占20(重量)%，大體對(duì)應(yīng)Ni2P。

非晶Ni-P層表面形成的磷化物膜阻擋了腐蝕繼續(xù)進(jìn)行，而提高了它的耐蝕性。鎳磷合金在發(fā)生電化學(xué)腐蝕時(shí)，Ni-P合金腐蝕界面形成磷化物膜和鎳的磷酸鹽、亞磷酸鹽、次磷酸鹽膜，其保護(hù)能力比純鎳鈍化膜強(qiáng)，特別是合金表面吸附次亞磷酸根(H2PO2-)進(jìn)入化學(xué)鈍化區(qū)，更能抑制鎳的溶解[3]。

鎢含量達(dá)40%左右的鎳鎢合金，一般為納米晶態(tài)，本身具備較強(qiáng)的抗蝕能力，而鎢元素在鍍層發(fā)生腐蝕時(shí)，會(huì)形成難溶性的鎢氧化物、鎢酸鹽等覆蓋在鍍層表面，產(chǎn)生強(qiáng)的緩蝕效果。

所以，高磷鎳、鎳鎢合金上鍍金，有著優(yōu)于普通鎳上鍍金的耐蝕性。相應(yīng)，在薄金鍍層的高溫老化和蒸汽老化時(shí)，高磷鎳、鎳鎢合金底層，金層孔隙中形成及擴(kuò)散到表面的金屬氧化物和腐蝕物比普通鎳少得多，可焊性的保持能力顯然更好。

3　鍍金零件釬焊性能及其影響因素

3.1　零件釬焊性能及不良案例

零件的釬焊性能包括可焊性和焊接強(qiáng)度兩個(gè)方面?？珊感允侨廴诤噶显诮饘俦砻鏉?rùn)濕鋪展的能力，焊接強(qiáng)度則是合金間化合物之間承受機(jī)械和熱循環(huán)應(yīng)力沖擊的能力。

在通訊設(shè)備板對(duì)板的連接中,穿板和表面貼裝回流焊接都有應(yīng)用。為把多個(gè)電子模塊高密度地集成在一起，表面貼裝的三次回流焊已是常見(jiàn)的情形。這時(shí)表面貼裝的焊碑，通常既是連接的結(jié)構(gòu)件，又是電流或信號(hào)的傳輸通道，所以對(duì)焊接強(qiáng)度的要求是很高的。

通常，對(duì)電子元器件的質(zhì)量評(píng)價(jià)，分為鍍層結(jié)合力的評(píng)價(jià)和可焊性的評(píng)價(jià)，鍍層結(jié)合力是按標(biāo)準(zhǔn)抽樣后，無(wú)論用什么方法，驗(yàn)證是100%合格后，再進(jìn)行可焊性評(píng)價(jià)?？珊感栽u(píng)價(jià)，是鍍后或者老化后進(jìn)行，有定性的焊料潤(rùn)濕性觀察，還有定量的潤(rùn)濕力稱(chēng)量和交零時(shí)間測(cè)量。

圖1　回流焊接組裝情況

圖2　二次回流焊后焊件脫落

鍍層結(jié)合力和可焊性測(cè)試表現(xiàn)都優(yōu)秀的高磷鎳/鍍金焊碑，在250℃的二次回流焊后卻發(fā)生了焊結(jié)界面強(qiáng)度極低，甚至零件自個(gè)脫落的質(zhì)量故障(總共回流三次，測(cè)量表明第三次回流焊以后推落力有恢復(fù)性上升)。圖1和圖2為回流焊組裝和脫落情況，圖3為脫落分離面的零件側(cè)(左)和對(duì)應(yīng)的PCB側(cè)(右)的狀態(tài)。

圖3　脫落分離面的零件側(cè)(左)和對(duì)應(yīng)的PCB側(cè)(右)

圖3可以看出，焊接點(diǎn)分離后，零件從PCB板上脫落，一部分鍍層被撕裂殘留在PCB側(cè)的焊料表面(對(duì)應(yīng)分離零件的凹坑)，焊點(diǎn)分離不是在釬焊料的內(nèi)部發(fā)生剪切，而是發(fā)生在鍍金件的底鎳層內(nèi)部。該鍍金件的鍍層組合是銅基體上鍍低應(yīng)力鎳1/半光亮鎳1/高磷鎳0.5/金0.1，對(duì)大量未焊接的鍍件檢驗(yàn)表明，鍍層之間的結(jié)合機(jī)制是金屬鍵，電鍍工序連續(xù)，每一鍍層間結(jié)合強(qiáng)度高于100MPa的水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于釬料不足40MPa的剪切強(qiáng)度。而且對(duì)圖3所示分離出的兩側(cè)光亮鎳面，放入50%的硝酸中都有類(lèi)似高磷鎳的耐腐蝕能力(數(shù)分鐘不變黑)，而普通的鎳層在此硝酸中很快變黑)，說(shuō)明并非在高磷鎳與普通鎳之間、也不在普通低應(yīng)力鎳和半亮鎳之間分離。分析表明，焊碑與PCB板發(fā)生分離是冶金相變的影響，是新相的產(chǎn)生和分離[4]。

3.2　可焊性的評(píng)價(jià)

電子產(chǎn)品的焊接，一般都是用錫焊料實(shí)施的軟釬焊。對(duì)產(chǎn)品可焊性的評(píng)價(jià)，一般是潤(rùn)濕交零時(shí)間或潤(rùn)濕力稱(chēng)量，都可以量化地評(píng)價(jià)。一般新鍍件可焊性沒(méi)有問(wèn)題，但隨存放時(shí)間延長(zhǎng)或者多次回流焊接時(shí)，可焊性會(huì)逐漸變差，因此采用155℃烘焙或者100℃蒸汽加速老化試驗(yàn)評(píng)估一段時(shí)間存放后或者多次回流焊時(shí)的可焊性。

對(duì)于焊接用鍍層，鍍鎳/鍍錫是最常用的，但錫表面在高溫老化后，形成厚的氧化錫膜，焊接的有限時(shí)間內(nèi)，氧化錫膜不能被焊劑充分還原、皂化，可焊性不滿(mǎn)足三次回流焊的高要求。鍍鎳/鍍金用作焊接鍍層焊接時(shí)，金層很快熔解進(jìn)入焊料[5]，形成新的成分梯度焊料重新潤(rùn)濕鎳層表面進(jìn)而合金化。一般用于焊接的鍍金層的厚度可選擇0.5微米，但基于焊接強(qiáng)度和制造成本的考慮，不能采用過(guò)厚的鍍金層，一般是0.05微米至0.25微米范圍。這種薄金層存在大量的孔隙，顯微鏡下可觀察到微米尺度的鎳層裸露，在高溫或蒸汽老化時(shí)，裸露的鎳將被氧化生成氧化物并往外擴(kuò)散，降低鍍金層的焊接潤(rùn)濕能力。在鍍金層靠近0.05微米的下限時(shí)，降低更明顯增加。

當(dāng)用高磷鎳代替普通鎳作為閃鍍金底層時(shí)，由于裸露鎳磷表面快速形成致密的磷化鎳、亞磷酸鎳、磷酸鎳復(fù)合薄膜，防止更廣泛和深層的氧化鎳生成，也防止 氧化鎳、氫氧化鎳、水合堿式碳酸鎳產(chǎn)生并擴(kuò)散覆蓋金層致可焊性大幅降低。另外，(亞)磷酸鎳薄膜等在高溫的松香酸中被溶解速度快于氧化鎳等阻焊物。

實(shí)踐證明，高磷鎳鍍閃金具有抗高溫老化、蒸汽老化的能力。具體在應(yīng)用實(shí)踐中，要保證高溫蒸汽老化8小時(shí)后可焊性?xún)?yōu)秀，低應(yīng)力鎳上鍍金，需要金層的最低厚度大約0.10微米,平均厚度0.15微米左右；而高磷鎳打底的話(huà),最低厚度0.025微米，平均厚度0.05微米都能通過(guò)測(cè)試。

可焊性良好，只能說(shuō)明熔融焊料在金屬表面易于潤(rùn)濕、鋪展，并不能保證所形成的金屬間化合物(IMC)之間具有足夠的結(jié)合強(qiáng)度，也就是說(shuō)，可焊性好的鍍層未必就能滿(mǎn)足焊接強(qiáng)度的要求。

3.3　焊接強(qiáng)度的評(píng)價(jià)

在焊接接點(diǎn)成型的過(guò)程中，會(huì)形成金屬間化合物。與軟焊料合金相比，這些金屬間化合物更脆；因此在承受機(jī)械應(yīng)變時(shí)，這樣的焊接接點(diǎn)的牢固度就會(huì)下降。隨著焊接接點(diǎn)中金屬間化合物成分的增加，諸如沖擊強(qiáng)度和應(yīng)變率敏感度等焊接接點(diǎn)的基本機(jī)械性能也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化[5]。

在文獻(xiàn)《焊接接點(diǎn)的脆裂機(jī)制、解決方案和標(biāo)準(zhǔn)》[5]中，闡明了鍍金層上進(jìn)行焊接后焊接接點(diǎn)性能下降的發(fā)生機(jī)制：1)鍍金層在表貼元件的表面上溶解，并以AuSn4化合物的形式在焊接接點(diǎn)另一面的界面上析出；2)鍍金層在端接面上完全溶解，使接點(diǎn)中的金含量增加；3)手動(dòng)焊接過(guò)程中的溫度過(guò)高，導(dǎo)致部分金屬鎳溶解，并與金屬金和金屬錫相互反應(yīng)；4)表面鍍硬金層在鍍通孔焊接過(guò)程中因?yàn)槿芙膺^(guò)緩而只有部分發(fā)生溶解，并通過(guò)固相擴(kuò)散形成AuSn2化合物層。

文獻(xiàn)《高磷鎳打底鍍金可焊性及風(fēng)險(xiǎn)研究》[4]]表明，由于焊接過(guò)程形成的合金相有多種且是多元的，比如Ni3P、NiSnP、NiSnCu、AuSn4、AuSn2等，不同合金相之間脆性大，焊點(diǎn)可以在最脆弱的合金相之間脆裂。

為了評(píng)價(jià)焊接點(diǎn)的強(qiáng)度，可以對(duì)表面貼裝回流焊接的焊碑進(jìn)行推落力測(cè)量進(jìn)行量化的分析。實(shí)驗(yàn)用焊碑的焊接界面為1.6mm×2.5mm，面積4.0mm2。良好的焊接效果，應(yīng)該焊料對(duì)焊碑和PCB的焊盤(pán)充分潤(rùn)濕鋪展和合金化，強(qiáng)行推落分離界面應(yīng)該是焊料內(nèi)部的剪切面，外觀應(yīng)為灰白啞光，略有光澤；強(qiáng)行推落是釬料的剪切破壞，錫銀焊料室溫下的剪切強(qiáng)度大約35MPa，那么良好焊接的兩焊接界面之間焊料的剪切力接近35×4=140(N)，這就是理論上最高的焊碑推落力。當(dāng)然，不排除足夠長(zhǎng)的焊接時(shí)間后，焊接點(diǎn)中形成均勻的或低內(nèi)應(yīng)力的高強(qiáng)度冶金相取代錫銀焊料層的可能，其剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)高于焊料強(qiáng)度。

4　幾種鎳底層對(duì)鍍金件釬焊性能的　影響

在紫銅材質(zhì)的焊碑基體上，進(jìn)行七種組合進(jìn)行老化后可焊性測(cè)試和多次回流焊后的推落力測(cè)量：鍍鎳1μm +半光亮鎳1μm +高磷鎳0.5μm/金0.10、鎳3μm/金0.15、鍍鎳3μm+高磷鎳0.5μm/金0.15、鎳1.2+納米鎳0.2/金0.10、底鎳0.5μm+高磷鎳3μm/金0.15、高磷鎳3μm/金0.15。 其中，鍍鎳或底鎳為氨基磺酸鎳體系的低應(yīng)力鎳，半光亮鎳為氨基磺酸鎳體系半光亮鎳，高磷鎳為電鍍高磷鎳(含磷量在10%以上，為非晶態(tài)鍍層)，納米鎳為含磷量約300PPm的納米晶態(tài)鎳鍍層(從一種含稀土添加劑和亞磷酸的鎳溶液中鍍?nèi)?。鍍金層在錫釬焊中快速熔入焊料中，形成新的焊料對(duì)底鎳層進(jìn)行潤(rùn)濕和合金化，因?yàn)殄兘鸷鼙。饘?duì)焊料的調(diào)制影響可以忽略不考慮。

4.1　可焊性評(píng)估

鍍后狀態(tài)可焊性均優(yōu)良，焊料覆蓋完整，無(wú)針孔。

采用無(wú)鉛回流焊參數(shù)265℃高溫回流三次，再8小時(shí)蒸汽老化后進(jìn)行可焊性評(píng)估表明：鍍鎳1μm +半光亮鎳1μm +高磷鎳0.5μm/金0.10、鍍鎳3μm+高磷鎳0.5μm/金0.15、鎳1.2+納米鎳0.2/金0.10、底鎳0.5μm+高磷鎳3μm/金0.15、高磷鎳3μm/金0.15的鍍層組合，老化可焊性?xún)?yōu)良，焊料覆蓋無(wú)針孔；鎳3μm/金0.15件老化后可焊性合格，但潤(rùn)濕時(shí)間比上面幾種長(zhǎng)一倍左右，焊料覆蓋有極少的針孔。

4.2　推落力試驗(yàn)測(cè)量方法、樣本數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)的工具

選用熔點(diǎn)217℃無(wú)鉛焊料，用鋼網(wǎng)涂無(wú)鉛料膏于電鍍鎳/薄金的銅片或工程用PCB板的焊盤(pán)上，貼上不同鍍層組合的試驗(yàn)工件，采用焊料適用的回流溫度曲線，經(jīng)過(guò)1至4次的回流焊，逐次回流后進(jìn)行焊碑推落力測(cè)試。

回流焊接后的測(cè)試板如圖4和圖5，圖4用薄銅片鍍鎳/鍍金做回流SMT，圖5是PCB工程板做回流SMT。

4.3　焊碑推落力測(cè)量數(shù)據(jù)

4.3.1鍍金焊碑在鍍鎳/金的銅片回流焊，見(jiàn)表1

圖4　用鍍鎳/鍍金薄銅片做回流SMT的測(cè)試板

圖5　是PCB工程板做回流SMT的測(cè)試板

表1　焊在電鍍鎳/金銅片上的Ep.Ni1Ni(s)1NiP0.5Au0.1焊碑推落力

焊碑與銅片的分離，均發(fā)生在銅片化學(xué)鎳鍍層內(nèi)部，推落力持續(xù)下降，在有限次數(shù)的回流后，推落力的最大、最小、平均值均處于低位。樣本數(shù)準(zhǔn)備不足，故不計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，但從實(shí)測(cè)的最低值0.5牛頓看，即使不考慮統(tǒng)計(jì)分布，發(fā)生焊點(diǎn)脫落是大概率的事件。

4.3.2焊碑焊在化學(xué)鍍高磷鎳/金的銅片上

4.3.2.1厚鎳底上鍍薄金的焊碑，見(jiàn)表2

表2　焊在化學(xué)鎳/金銅片上的Ep.Ni3Au0.1焊碑推落力

焊碑與銅片的分離，均發(fā)生在銅片化學(xué)鎳鍍層內(nèi)部，推落力持續(xù)下降，在有限次數(shù)的回流后，推落力的最大、最小、平均值均處于低位。樣本數(shù)準(zhǔn)備不足，故不計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，但從實(shí)測(cè)的最低值0.5牛頓看，即使不考慮統(tǒng)計(jì)分布，發(fā)生焊點(diǎn)脫落是大概率的事件。

4.3.2.2鎳上閃鍍鎳磷鍍薄金的焊碑推落力，見(jiàn)表3

表3　焊在化學(xué)鎳/金銅片上的Ep.Ni3 NiP0.1Au0.1焊碑推落力

焊碑與銅片的分離，大約30%發(fā)生在銅片化學(xué)鎳鍍層內(nèi)部，70%發(fā)生在焊碑鍍層內(nèi)部，推落力持續(xù)下降，在有限次數(shù)的回流后，推落力的最大、最小、平均值均處于低位，由于焊料兩邊都是高磷鎳，所以推落力比單邊高磷鎳更差。

從實(shí)測(cè)的最低值，以及平均值減去3倍標(biāo)準(zhǔn)差可以評(píng)估，發(fā)生焊點(diǎn)脫落是大概率的事件，而且在有限幾次的回流焊情況下，均不能回升至安全的推落力區(qū)間。

4.3.3焊碑焊在化學(xué)中磷鎳/浸金(即ENIG)的PCB工程板上

3.3.3.1在PCB工程板上鍍鎳/金的焊碑，見(jiàn)表4

表4　ENIG的多層PCB上的Ep.Ni3Au0.1焊碑推落力

隨回流次數(shù)的增加，推落力出現(xiàn)漲落分化，升降都有發(fā)生，變差的情況對(duì)應(yīng)耐焊接熱試驗(yàn)中的焊接強(qiáng)度降低。推落力的最小值中沒(méi)有出現(xiàn)致命的薄弱點(diǎn)，最低為焊料剪切強(qiáng)度的1/4以上。

樣本數(shù)不足，故不計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差，但從實(shí)測(cè)的最低值看，每一次回流后焊點(diǎn)處于安全的推落力區(qū)間。

4.3.3.2鍍鎳3μm+高磷鎳0.5μm+金0.10焊碑，見(jiàn)表5

表5　ENIG的多層PCB上的Ep.Ni3 NiP0.5Au0.1焊碑推落力

推落力的最低值的4.6N對(duì)應(yīng)的剪切強(qiáng)度只有1.15MPa，20.7N對(duì)應(yīng)的剪切強(qiáng)度只有5.1MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于焊料本身的剪切強(qiáng)度。雖然統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)不多，雖然二次、三次、四次回流后推落力增加，但最低值暴露出焊點(diǎn)的安全性不足，所以無(wú)需大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

4.3.3.3鎳1.2+納米鎳0.2/金0.10焊碑，見(jiàn)表6

表6　ENIG的多層PCB上的鎳1.2/納米鎳0.2/金0.10焊碑推落力

由于鍍層中微量的磷和可能存在的稀土元素的作用，焊點(diǎn)的強(qiáng)度高；多次回流后，焊料成分變化及形成的金屬間化合物(IMC)強(qiáng)度增加，多個(gè)推落力超過(guò)了焊料的剪切強(qiáng)度。樣本數(shù)較少，不能以標(biāo)準(zhǔn)差推論變化趨勢(shì)，但根據(jù)平均值趨勢(shì)可以推論，進(jìn)一步的回流不僅不會(huì)降低其結(jié)合強(qiáng)度，可能推落力的最低值也是上升的。后續(xù)可進(jìn)一步驗(yàn)證第五次和第六次回流以后推落力的變化。

4.3.3.4底鎳0.5μm+高磷鎳3μm/金0.10焊碑，見(jiàn)表7

表7　ENIG的多層PCB上的鎳0.5μm+高磷鎳3μm/金0.10焊碑推落力

本組合試驗(yàn)樣品更充分，焊點(diǎn)最低推落力在第二次回流后相比第一次后有25%下降，以后回升到第一次數(shù)值以上，焊點(diǎn)強(qiáng)度基本可以接受。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)上看，無(wú)論最小值，還是平均值減去3倍標(biāo)準(zhǔn)差，推落力均能保證在安全區(qū)間。

4.3.3.4高磷鎳3μm/金0.10焊碑，見(jiàn)表8

表8　ENIG的多層PCB上的電鍍高磷鎳3.0+金0.10焊碑推落力

本組合試驗(yàn)樣品比較充分，焊點(diǎn)最低推落力在第二次回流后相比第一次后有25%下降，以后回升到第一次數(shù)值以上，焊點(diǎn)強(qiáng)度基本可以接受。從四次回流后焊碑推落力平均值減去3倍標(biāo)準(zhǔn)差的情況看，第二次回流后焊點(diǎn)有很大的風(fēng)險(xiǎn)。

4.4　推落力數(shù)據(jù)總體比較

無(wú)論焊碑還是焊盤(pán)，0.5微米左右的高磷鎳對(duì)焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度都是很不利的，對(duì)這類(lèi)焊接后的焊碑推落力非常低，尤其第二次和第三次回流后，平均的剪切強(qiáng)度在5MPa以下，最低的為0Pa，自動(dòng)脫落。厚度越低，在回流次數(shù)增加時(shí)越不能恢復(fù)。

普通的鎳(低應(yīng)力鎳)上鍍金的焊碑，隨回流次數(shù)的增加，推落力平均值基本沒(méi)有什么變化，但明顯出現(xiàn)漲落分化，升降都有發(fā)生，最低值變差的情況對(duì)應(yīng)耐焊接熱試驗(yàn)中的焊接強(qiáng)度降低。總體上，最低的焊接強(qiáng)度也在10MPa以上。

高磷鎳厚度足夠厚時(shí)，比如2.5微米以上，焊點(diǎn)強(qiáng)度比普通鎳底有所降低，大約降低40%左右，剪切強(qiáng)度降至6MPa；厚的高磷鎳下面有低應(yīng)力鎳時(shí)，似乎焊點(diǎn)剪切強(qiáng)度稍高一些，可以達(dá)到7.5MPa。

鎳1.2微米加上納米鎳0.2微米加上金0.10微米的焊碑，無(wú)論推落力的最低值還是平均值，是優(yōu)于普通鎳上鍍金的，最低的焊接強(qiáng)度也在10MPa以上，多次回流后最高值達(dá)到75MPa以上，是焊料剪切強(qiáng)度的2倍左右。

拋開(kāi)焊盤(pán)底鍍層的差異，均以中磷ENIG的PCB焊盤(pán)對(duì)比，不同鍍金底鎳層的焊碑，在數(shù)次回流焊后推落力最大和最小值對(duì)比如圖6：

5　結(jié)語(yǔ)

對(duì)鍍鎳鍍薄金的回流焊零件而言，綜合高溫和蒸汽老化后可焊性測(cè)試和實(shí)際回流焊接點(diǎn)剪切強(qiáng)度測(cè)量分析，采用稀土添加劑的亞磷酸體系鍍?nèi)〉募{米晶態(tài)鎳具有最好的綜合性能；低應(yīng)力鎳焊點(diǎn)強(qiáng)度雖然較高且穩(wěn)定，但抗老化能力不足，老化后可焊性較差，試驗(yàn)表明鍍金厚度最低值大于0.1微米才能通過(guò)試驗(yàn)；高磷鎳打底鍍金，金層厚度可低至0.025微米，老化后可焊性測(cè)試依然良好，但焊點(diǎn)強(qiáng)度有較大的降低，尤其是在普通鎳上鍍0.75微米以下高磷鎳時(shí)，焊點(diǎn)脫落風(fēng)險(xiǎn)不可避免，相關(guān)的機(jī)理可參考《高磷鎳打底鍍金可焊性及風(fēng)險(xiǎn)研究》[4]。

圖6　中磷ENIG的PCB焊盤(pán)上不同鎳底層鍍金焊碑的推落力極值比較

[1]劉異軍，李志軍，郭偉民等.防止錫回流變色的連接器電鍍工藝[J] .電鍍與涂飾.2006.25(11)：9-11

[2]聞春國(guó)譯. 連接器錫鍍層的開(kāi)發(fā)[J] .機(jī)電元件. 2000.20(12)：22-25

[3]王霞，彭健峰等.化學(xué)鍍Ni-P合金耐蝕性能優(yōu)化的研究方向[J].表面技術(shù).2006.35(8)：9-12

[4]張勇強(qiáng).高磷鎳打底鍍金可焊性及風(fēng)險(xiǎn)研究[A].中國(guó)電子學(xué)會(huì)電鍍專(zhuān)家委員會(huì)第十八屆學(xué)術(shù)年會(huì)[C].深圳. 2016-12-28

[5]Mike Wolverton. Solder joint embrittlement mechanisms solutions standards [A]. IPC APEX EXPO Conference[C].2014