關于ENIG焊盤焊接中柯肯達爾空洞與Ni氧化問題的技術解析

一、柯肯達爾空洞（Kirkendall Void）的形成機制與影響

不同原子擴散與界面反應速率不同

Au溶解與IMC形成：焊接時，ENIG焊盤中的Au層迅速溶解到錫鉛焊料中，與Sn反應生成AuSn?金屬間化合物（IMC）。同時，焊料中的Sn與Ni層反應生成Ni3Sn4 IMC。

富P層的伴生：由于Ni層中摻雜磷（P），在Ni3Sn4生長過程中，P被排擠至界面附近，形成非晶態富P層（Ni-P+層）。

空洞形成原因

Ni擴散與晶格失配：Ni原子向焊料中擴散的速度快于Sn原子向Ni層的反向擴散，導致界面處形成原子通量不平衡。這種不平衡在Ni3Sn4與富P層之間引發微小空洞，即柯肯達爾空洞。（圖1-17）。

圖 1-17 柯肯達爾空洞

溫度依賴性：富P層在低于其自結晶溫度（如再流焊210℃）時發生晶化，加劇了空洞的形成。

對焊點可靠性的影響

富P層增厚風險：富P層越厚，空洞數量越多，導致焊縫機械強度下降，甚至引發開裂。

控制策略：

優化Ni層磷含量（通常3-7 wt%），平衡耐蝕性與IMC生長速率。

控制焊接溫度曲線（如峰值溫度、升溫速率），減少Ni過度擴散。

添加微量元素，形成特定的金屬粒子抑制原子擴散。

二、Ni氧化問題與焊接失效

氧化機理

Au層缺陷：若ENIG工藝中Au層過薄（<0.05 μm）或儲存時間過長，Ni表面暴露于環境，發生氧化生成NiO。

潤濕性喪失：氧化后的Ni層無法被焊料潤濕，導致IMC無法連續形成，僅殘留Au-Sn團狀IMC（如AuSn?）。

失效表現

界面形貌：焊接界面呈現“島嶼狀”IMC分布，缺乏連續的Ni3Sn4層（圖1-18）。

圖 1-18 Ni氧化導致的團狀 IMC 及焊點脆斷現象

力學性能：焊點剪切強度顯著降低，易在熱循環或振動條件下失效。

預防措施

工藝控制：

確保Au層厚度≥0.05 μm，避免針孔缺陷。

縮短PCB儲存時間（建議<6個月），控制濕度（<30% RH）。

焊接前處理：

對長期存放的PCB進行等離子清洗或微蝕刻，去除表面氧化物。

采用含潤濕力強的焊膏，增強潤濕性。

三、綜合優化建議

材料選擇：

使用低磷含量Ni層（3-5 wt%），平衡耐蝕性與IMC生長速率。

選用無鉛焊料（如SAC305），減少Sn-Pb共晶對IMC生長的催化效應。

工藝優化：

再流焊溫度曲線：

峰值溫度控制在245-255℃，避免長時間高溫導致Ni過度擴散。

延長200-220℃保溫段，促進IMC均勻生長。

氮氣保護：降低氧含量至<50 ppm，減少Ni氧化風險。

檢測與監控：

SEM/EDS分析：定期檢測焊接界面IMC厚度（理想值1-3 μm）與空洞率（<5%）。

可靠性測試：進行熱循環（-55℃~125℃，1000次）與振動測試，驗證焊點壽命。

通過上述措施，可有效抑制柯肯達爾空洞與Ni氧化問題，提升ENIG焊盤在復雜工況下的可靠性。

審核編輯 黃宇