工作環(huán)境對(duì)電子產(chǎn)品的某些功能如按鍵或開關(guān)等，其外露金屬皮膜區(qū)域的可靠度，將會(huì)對(duì)產(chǎn)品帶來某些程度的影響。由于此等區(qū)域并無綠漆或其它封膠類所保護(hù)，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(dǎo)致斷路或短路，對(duì)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(zhǎng)期可靠度而言，該等皮膜還可做為金屬相互擴(kuò)散的屏障層，以保護(hù)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(duì)于介面間所出現(xiàn)熱脹系數(shù)（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(qiáng)度會(huì)更好。

一 、電路板測(cè)試之一化鎳浸金(ENIG)皮膜的測(cè)試

就ENIG皮膜之銲點(diǎn)強(qiáng)度而言，本文就其可靠度測(cè)試的變數(shù)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(qiáng)，因而會(huì)減慢黃金層置換沉積的速率，以致常規(guī)操作參數(shù)下將無法達(dá)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(chǔ)的IMC(Ni3Sn4)則是生長(zhǎng)在底層磷鎳合金的基地上。銲點(diǎn)強(qiáng)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(xiàn)良好的展性(Ductile)而非脆性。

二、試驗(yàn)過程的說明

取BGA封裝載板為試驗(yàn)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(duì)微切片再進(jìn)行檢測(cè)，然后又進(jìn)行"推錫球剪力試驗(yàn)"，且分兩階段進(jìn)行：

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

第二階段：另採直徑為760μm的錫銀銅(SAC)無鉛錫球，也同樣採用開口直徑為600μm綠漆設(shè)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℃），過程中之高低溫停留時(shí)間均為15分鐘，環(huán)境轉(zhuǎn)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(qiáng)度是以Dage PC2400式剪力儀進(jìn)行推錫球之試驗(yàn)。

同時(shí)也進(jìn)行兩種打線與隨后的拉力強(qiáng)度試驗(yàn)：

鋁線拉力：是針對(duì)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(duì)比。

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

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

三、電路板測(cè)試之二錫球剪力試驗(yàn)

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

圖1、左為綠漆設(shè)限的植球墊。右為非綠漆設(shè)限或全銅設(shè)限之焊球墊

針對(duì)銲點(diǎn)所施加的推力，一旦當(dāng)銲點(diǎn)強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí)，甚至?xí)斐摄~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(yàn)。下圖2即為試驗(yàn)所呈現(xiàn)的推力與球腳銲點(diǎn) 變形的對(duì)應(yīng)圖。當(dāng)圖中的曲線出現(xiàn)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，若曲線呈現(xiàn)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(yàn)的示意圖與SEM對(duì)組織就其展性與脆性的顯示畫面。

由各種強(qiáng)力推裂球體的結(jié)果來進(jìn)行失效分析（見圖4)，通?？蓪㈤_裂模式區(qū)分為展性的開裂（即圖3中的Model)與銅墊自基板上浮離（Mode4)等兩種與焊接強(qiáng)度無關(guān)的良性開裂，以及銲點(diǎn)強(qiáng)度不足而在IMC處開裂的"脆性"不良裂口等。

圖3、經(jīng)推球剪力試驗(yàn)后，對(duì)各種開裂位置的分類說明

（一）、第一階段：ENIG皮膜厚度對(duì)銲點(diǎn)強(qiáng)度的影響

下圖4即為一系列推球剪力試驗(yàn)的結(jié)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）其主要開裂的位置多集中在Mode 4的銅墊浮離〈表示銲點(diǎn)強(qiáng)度很好）。不過中磷鎳（7-9wt%）而厚度又較薄者，其開裂中已出現(xiàn)少數(shù)Mode 3的不良裂口 ，但在高磷鎳層中卻未發(fā)現(xiàn)此等不良。但當(dāng)金層較厚(＞0.11μm)，則不管鎳層厚度如何，發(fā)生于鎳層與IMC層介面間的不良開裂，其數(shù)量均呈現(xiàn)相對(duì)性的多數(shù)。至于高磷鎳層(9.5-13wt%）無論其厚度如何，只要金層較薄者（0.06μm）均未發(fā)現(xiàn)脆性之不良開裂。

圖4、在開口直徑為600μm的SMD焊墊上，對(duì)其化鎳浸金層所測(cè)到的開裂情形

（二）、第二階段：ENIG不同磷含量對(duì)銲點(diǎn)強(qiáng)度的影轡

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

（1）、熱循環(huán)（TC)之前

下圖5為熱循環(huán)前對(duì)錫球推力與銲點(diǎn)變形伸長(zhǎng)之對(duì)應(yīng)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(yīng)力變化過程，是當(dāng)推力上升到高點(diǎn)后即呈現(xiàn)平緩的下降，也就是銲點(diǎn)在抵抗強(qiáng)推中呈現(xiàn)良好的展性（或塑性）變形。至于高磷者（11.2 wt%）其'推力與伸長(zhǎng)"的對(duì)應(yīng)曲線也出現(xiàn)類似的良好曲線，說明此等銲點(diǎn)強(qiáng)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(xiàn)推球試驗(yàn)之結(jié)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(xiàn)'推力與伸長(zhǎng)'的對(duì)應(yīng)圖中，也出現(xiàn)良性平坦緩降的曲線。其等銲點(diǎn)強(qiáng)度之推力變化是在5-16N之間。所執(zhí)行的熱循環(huán)試驗(yàn)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(zhǎng)"曲線圖的變化也不大。所用之推力則集中在11-1損之間，且到達(dá)推力最高數(shù)値后也呈現(xiàn)平坦的緩降，說明了銲點(diǎn)也現(xiàn)了良好的展性變形。

銲點(diǎn)經(jīng)熱循環(huán)與推球試驗(yàn)后，對(duì)中磷試樣的開裂硏究還做了微切片的觀察，確實(shí)發(fā)現(xiàn)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，說明了銲點(diǎn)強(qiáng)度良好的特徵，且其兩類1^：的結(jié)構(gòu)也有所不同。

（3）、熱循環(huán)（TC)前后IMC結(jié)構(gòu)的改變

當(dāng)PCBA加工廠對(duì)各試樣均完成推球試驗(yàn)后，曾針對(duì)每個(gè)試樣都做過詳細(xì)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，而直接觀察介面所露出的IMC結(jié)構(gòu)組織，發(fā)現(xiàn)磷含量在焊接中的確會(huì)影響到IMC的結(jié)構(gòu)組織。下列圖 6均為熱循環(huán)前所呈現(xiàn)的IMC組織。兩者的磷含量分別是8.0wt%與11.2wt%。，但卻呈現(xiàn)類似'針狀組織"的畫面，其中磷者的結(jié)構(gòu)比起高磷者，不但顆粒較大而且也較鬆散。

不過銲點(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(jié)構(gòu)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倍下所見到含磷8.0wt%鎳層表面的IMC結(jié)構(gòu)情形，右為高磷者11.2wt%IMC的結(jié)構(gòu)情形。

由TC前后對(duì)比可看出，原本銲點(diǎn)底部針狀的IMC已轉(zhuǎn)變成為肥厚型的IMC了。并進(jìn)一步還可得知，此種IMC的成長(zhǎng)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(zhǎng)的機(jī)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(qiáng)，于是在金水中應(yīng)該發(fā)生的置換反應(yīng)也就變慢了。

Ni十2Au- → Ni++ 十2Au↓

一般人認(rèn)為中磷(8.0 wt%)者焊后會(huì)出現(xiàn)外觀較粗糙的針狀I(lǐng)MC結(jié)構(gòu)，也正是出自晶界容易遭到攻擊的事實(shí)，然而當(dāng)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的畫面中見到ENIG鍍層表面（含磷8.0 wt%）出現(xiàn)瘤狀結(jié)構(gòu)的形貌，另圖8右 則為高磷11.2wt%放大所見之化鎳層表面形貌。

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

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