Entstehung, Eigenschaften und negative Auswirkungen von „Black Pad“ im Zusammenhang mit der Oberflächenbehandlung ENIG

ENIG (stromlose Nickel-Immersionsgold-Beschichtung) ist eines der gängigsten Oberflächenbehandlungsverfahren in der modernen Leiterplattenindustrie. Zu seinen Vorteilen zählen Bleifreiheit, gute Lötbarkeit und Oxidationsbeständigkeit. Obwohl die Herstellungskosten höher sind als bei anderen Verfahren wie OPS und HASL, wird ENIG bevorzugt für hochwertige, hochdichte, qualitativ hochwertige Leiterplatten mit BGA-Gehäuse und RoHS-Konformität eingesetzt, beispielsweise für Elektronik in den Bereichen Medizintechnik, Smartphones, Telekommunikation und Militär.

Einer der Defekte bei ENIG ist die sogenannte schwarze Schicht, auch phosphorreiche Schicht genannt. Sie zeigt sich normalerweise als dunkle Flecken auf der Nickelschicht unter dem Gold. Diese Flecken entstehen durch Nickelkorrosion. Im Folgenden werden Entstehung, Eigenschaften und negative Auswirkungen dieser Schicht beschrieben:

I. Bildung von schwarzen, phosphorreichen Schichten

Phosphorreiche Schichten entstehen hauptsächlich während zweier Schritte des stromlosen Nickel-Immersionsgold-Verfahrens (ENIG):

1. Chemisches Vernickelungsverfahren (Bildung der Ni-P-Schicht):

Beim ENIG-Verfahren besteht die auf den Pads abgeschiedene Oberfläche nicht aus reinem Nickel, sondern aus einer Nickel-Phosphor-Legierung. Das Reduktionsmittel im Galvanisierbad (z. B. Natriumhypophosphit) reduziert und scheidet Nickelionen unter Katalyse ab, wobei gleichzeitig Phosphor (P) in die Beschichtung eingelagert wird. Je nach Phosphorgehalt unterscheidet man zwischen phosphorarmen (2–5 %), phosphorreichen (6–9 %) und phosphorreichen (>10 %) Beschichtungen. Phosphorreiche Beschichtungen werden üblicherweise im ENIG-Verfahren eingesetzt.

2. Immersionsgold (führt zu Phosphoranreicherung):

● Die Immersionsvergoldung erfolgt nach der Vernickelung. Dabei handelt es sich um eine chemische Verdrängungsreaktion: Goldionen verdrängen Nickelatome von der Oberfläche der Nickelschicht im Galvanisierungsbad, die Nickelatome lösen sich in der Goldlösung auf, und Goldatome lagern sich auf der Oberfläche der Nickelschicht ab.

● Bei dieser Verdrängungsreaktion wird selektiv die Nickelschicht korrodiert; Nickelatome werden selektiv gelöst, während Phosphoratome nicht an der Reaktion teilnehmen und sich nicht in der Goldlösung lösen.

● Daher lösen sich beim Immersionsgoldverfahren kontinuierlich Nickelatome an der Oberfläche der Nickelschicht auf, wodurch Phosphoratome zurückbleiben. Diese bilden eine extrem dünne Schicht auf der Nickelschicht mit einer deutlich höheren Phosphorkonzentration als die Nickelschicht selbst – die sogenannte „phosphorreiche Schicht“. Ihr Phosphorgehalt kann bis zu 20 Atomprozent oder mehr betragen.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Die phosphorreiche Schicht ist ein Produkt der selektiven Korrosion und Auflösung von Nickel während des ENIG-Immersionsprozesses, was zu verbleibenden und angereicherten Phosphoratomen an der Nickel-Gold-Grenzfläche führt.

II. Eigenschaften der phosphorreichen Schicht

1. Chemische Zusammensetzung: Die Hauptbestandteile sind Phosphor (P) und etwas Nickel (Ni), das möglicherweise als amorphe Nickel-Phosphor-Verbindungen (wie z. B. Ni3P) vorliegt.

2. Morphologie und Dicke: Sehr dünn, typischerweise nur einige zehn bis einige hundert Nanometer (nm), befindet sich an der Grenzfläche zwischen der Nickelschicht (Ni-P) und der Goldschicht (Au) und erscheint unter dem Elektronenmikroskop als helle, dünne Linie.

3. Physikalische Eigenschaften: Hoher spezifischer Widerstand, die kritischste Eigenschaft und Hauptgrund für die negativen Auswirkungen auf die Leistung der Leiterplatte: Der spezifische Widerstand der phosphorreichen Schicht ist viel höher als der von metallischem Nickel und Gold, wodurch sie ein schlechter elektrischer Leiter ist.

III. Negative Auswirkungen der phosphorreichen Schicht auf die Lötzuverlässigkeit:

1. „Schwarze Lötpads“-Fehler: Dies ist der schwerwiegendste Qualitätsmangel, der durch die phosphorreiche Schicht verursacht wird. Wird der Vergoldungsprozess nicht kontrolliert (z. B. zu lange oder mit zu aktiver Goldlösung), führt dies zu übermäßiger Korrosion und zur Bildung einer übermäßig dicken, durchgehenden phosphorreichen Schicht. Beim Löten trifft das Lot nach dem Auflösen der Oberflächengoldschicht auf die hochohmige, phosphorreiche Schicht, jedoch nicht auf die Nickelschicht.

2. Schlechte Lötbarkeit und kalte Lötstellen: Das Lot kann keine effektive metallurgische Verbindung mit der hochohmigen, phosphorreichen Schicht eingehen (schwierige Bildung einer guten Ni3Sn4-Intermetallverbindung), was zu schlechter Benetzung der Lötstelle, kalten Lötstellen und extrem niedriger Verbindungsfestigkeit führt.

3. Schwache Lötverbindung: Selbst wenn eine Lötverbindung entsteht, ist die Grenzflächenbindung sehr schwach und neigt dazu, unter mechanischer Belastung oder thermischem Schock von der phosphorreichen Schicht aus zu reißen.

Benlida ist seit 14 Jahren technischer Experte in der Leiterplattenfertigung. Dank jahrelanger Prozessoptimierung und technischer Weiterentwicklungen ist das Unternehmen Experte darin, den „Black Pad“-Fehler auf ENIG-Leiterplatten zu vermeiden. Mit professioneller Ausrüstung und einem kompetenten Engineering- und Qualitätsteam bietet Benlida zudem Analysedienstleistungen und Lösungen an.

● Mithilfe hochauflösender Rasterelektronenmikroskopie und energiedispersiver Röntgenspektroskopie sowie Querschnittsanalysen der Lötpads lassen sich Vorhandensein, Dicke und Kontinuität der phosphorreichen Schicht deutlich erkennen. Dadurch können die Elemente und Bildungsursachen genau analysiert und Daten für die Prozessanalyse bereitgestellt werden.

● Analyse des „Black Pad“-Defekts: Wenn Lötstellen Probleme wie mangelnde Benetzung, schlechte Lötung oder unzureichende Festigkeit aufweisen, analysiert unser Qualitätsteam mittels mikrostruktureller Analyse, ob die Fehler auf einen „Black Pad“-Defekt zurückzuführen sind, der durch die phosphorreiche Schicht verursacht wird. Dadurch wird die Ursache des Prozessproblems genau ermittelt.

● Prozessoptimierung: Durch den Vergleich und die Analyse der Grenzflächenbedingungen unter verschiedenen Nickelplattierungs-/Immersionsgoldprozessparametern unterstützen wir Kunden bei der Optimierung des ENIG-Prozesses, der Hemmung eines übermäßigen phosphorreichen Schichtwachstums und der Verbesserung der Löt-Ausbeute und -Zuverlässigkeit von Anfang an.

● Umfassende Zuverlässigkeitsprüfung: Wir bieten Zuverlässigkeitsprüfungen wie Temperaturwechseltests und Hochtemperatur-/Hochfeuchtigkeitstests an, um die Langzeitzuverlässigkeit von Lötverbindungen zu beurteilen und die potenziellen Risiken durch Defekte zu bewerten.

Sollten bei Ihrem Projekt Probleme wie schwarze Lötpads, mangelhafte Oberflächenbeschaffenheit, lose Lötpads, schlechte Lötstellen oder Risse in den Lötverbindungen im Zusammenhang mit der Oberflächenbehandlung ENIG auftreten, kontaktieren Sie bitte Benlida , um mehr über unsere Produktionsprozesse und Qualitätskontrolle zu erfahren. Wir bieten unseren Kunden wettbewerbsfähige Preise und Beratungsleistungen. Mit unseren professionellen Produktionsanlagen und erfahrenen Ingenieuren fertigt Benlida gerne hochwertige Leiterplatten für Sie!