O ENIG (Níquel Químico por Imersão em Ouro) é um dos tratamentos de superfície mais comuns na indústria moderna de PCBs. Suas vantagens incluem: ausência de chumbo, facilidade de soldagem e resistência à oxidação. Embora o custo de fabricação seja mais elevado do que outras abordagens, como OPS e HASL, ele ainda é mais utilizado em PCBs de alto valor agregado, alta densidade, alta qualidade, com encapsulamento BGA e em conformidade com a RoHS, como os aplicados em eletrônicos para as áreas médica, de smartphones, de telecomunicações e militar.
Um dos defeitos comuns em ENIG é a camada preta, também chamada de camada rica em fósforo. Ela geralmente aparece como manchas escuras na camada de níquel sob o ouro. Essas manchas são causadas pela corrosão do níquel. Abaixo estão descritas sua formação, características e efeitos negativos:
I. Formação de Camadas Pretas/Ricas em Fósforo
As camadas ricas em fósforo são formadas principalmente durante duas etapas do processo de imersão em ouro e níquel sem eletrodos (ENIG):
1. Processo de niquelagem química (formação da camada de Ni-P):
No processo ENIG, a superfície depositada nas almofadas não é de níquel puro, mas sim de uma liga de níquel-fósforo. O agente redutor no banho de revestimento (como o hipofosfito de sódio) reduz e deposita íons de níquel sob catálise, enquanto o fósforo (P) também é co-depositado no revestimento. Com base no teor de fósforo, o revestimento pode ser classificado em baixo teor de fósforo (2-5%), médio teor de fósforo (6-9%) e alto teor de fósforo (>10%). Revestimentos com teor médio de fósforo são comumente usados em ENIG.
2. Ouro por imersão (levando ao enriquecimento de fósforo):
● A dopagem por imersão em ouro é realizada após a niquelagem. A dopagem por imersão em ouro é uma reação de deslocamento químico: os íons de ouro deslocam os átomos de níquel da superfície da camada de níquel no banho de revestimento, os átomos de níquel se dissolvem na solução de ouro e os átomos de ouro se depositam na superfície da camada de níquel.
● Essa reação de deslocamento corrói seletivamente a camada de níquel; os átomos de níquel são dissolvidos seletivamente, enquanto os átomos de fósforo não participam da reação e não são dissolvidos na solução de ouro.
● Portanto, durante o processo de imersão em ouro, os átomos de níquel na superfície da camada de níquel são continuamente dissolvidos, deixando para trás átomos de fósforo. Isso forma uma camada extremamente fina no topo da camada de níquel com uma concentração de fósforo muito maior do que a camada de níquel em si — esta é a "camada rica em fósforo". Seu teor de fósforo pode chegar a 20% ou mais (porcentagem atômica).
Em resumo: A camada rica em fósforo é um produto da corrosão seletiva e da dissolução do níquel durante o processo de imersão em ouro ENIG, resultando em átomos de fósforo residuais e enriquecidos na interface níquel-ouro.
II. Características da camada rica em fósforo
1. Composição química: Os principais componentes são fósforo (P) e algum níquel (Ni), possivelmente existindo como compostos amorfos de níquel-fósforo (como Ni3P).
2. Morfologia e Espessura: Muito fina, tipicamente com apenas dezenas a centenas de nanômetros (nm), localizada na interface entre a camada de níquel (Ni-P) e a camada de ouro (Au), aparecendo como uma linha fina e brilhante sob microscópio eletrônico.
3. Propriedades Físicas: Alta resistividade, sua característica mais crítica e a principal razão para seus efeitos adversos no desempenho da placa de circuito impresso: A resistividade da camada rica em fósforo é muito maior do que a do níquel e do ouro metálicos, tornando-a um mau condutor de eletricidade.
III. Efeitos adversos da camada rica em fósforo na confiabilidade da soldagem:
1. Defeito "Black Pad": Este é o defeito de qualidade mais grave causado pela camada rica em fósforo. Se o processo de imersão em ouro for realizado de forma descontrolada (por exemplo, por tempo excessivo ou com fluido de ouro muito ativo), ocorrerá corrosão excessiva, formando uma camada espessa e contínua rica em fósforo. Durante a soldagem, após a dissolução da camada superficial de ouro, a solda entra em contato com a camada rica em fósforo de alta resistividade, e não com a camada de níquel.
2. Baixa soldabilidade e juntas de solda frias: A solda não consegue formar uma ligação metalúrgica eficaz com a camada rica em fósforo de alta resistividade (dificultando a formação de um bom composto intermetálico Ni3Sn4), resultando em má molhabilidade da junta de solda, juntas de solda frias e resistência de conexão extremamente baixa.
3. Junta de solda frágil: Mesmo que uma junta de solda seja formada, a ligação interfacial é muito fraca e tende a rachar na camada rica em fósforo quando submetida a força mecânica ou choque térmico.
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● Análise do defeito "Black Pad": Quando as juntas de solda apresentam problemas como falta de molhabilidade, soldagem deficiente ou resistência insuficiente, nossa equipe de qualidade analisa as causas da falha, identificando o defeito "Black Pad" resultante da camada rica em fósforo por meio de análise microestrutural, determinando assim a causa raiz do problema no processo.
● Otimização do processo: Comparando e analisando as condições da interface sob diferentes parâmetros do processo de niquelagem/imersão em ouro, auxiliamos os clientes na otimização do processo ENIG, inibindo o crescimento excessivo da camada rica em fósforo e melhorando o rendimento e a confiabilidade da soldagem desde a origem.
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