Von Bernd Endres, Gramm Technik GmbH, Ditzingen
Black Pad-Erscheinungen in ENIG-Oberflächen auf Leiterplatten führen in der Regel zu massiven Löt- und Drahtbondproblemen und verursachen mithin hohe Folgekosten. Um dies zu vermeiden wurde eine Prüfmethode entwickelt, die eine zeitnahe und zuverlässig Zurordnung des Fehlerbildes ermöglicht. Die Zuverlässigkeit des einfach durchzuführenden Tests wird an einer Probenreihe aufgezeigt.
A Practical Test to Assess ENIG Surfaces are
The formation of so-called Black Pads on printed circuit boards and the resulting problems due to poor adhesion usually associated with these when using wire-bonded aluminium, represents a significant cost in the manufacture of printed circuit boards, in terms of reworking to correct defects. In order to avoid such costs, a test has been developed to identify, on a reliable basis and in almost real-time, the incidence of defective areas on the surface. The reliability of this simple-to-implement test is demonstrated on the
basis of a production run.
1 Einleitung
Stromlos abgeschiedene Nickel/Gold-Schichten – obgleich am Markt fest etabliert als Standardoberfläche im Bereich des Bondens mit Aluminiumdraht oder beim bleifreien Löten – sorgen seit Jahren immer wieder für Irritationen bezüglich ihrer Leistungsfähigkeit und vor allen Dingen der Qualitätskonstanz. Dabei steht fast immer der sogenannte Black Pad-Effekt im Mittelpunkt. Zahlreiche Publikationen mit teilweise irreführendem Charakter sorgten in der Vergangenheit für mehr Verunsicherung als Aufklärung. Hinzu kommt, dass immer häufiger Lötprobleme, die aus dem Handlingbereich nach der Beschichtung, aus Fehlern beim Löten oder Oberflächenverunreinigungen resultieren, pauschal diesem Effekt zugeschrieben werden.
Ziel eines Industrieprojekts unter Federführung des Fraunhofer-IZM in Berlin und unter Beteiligung zahlreicher Unternehmen aus dem Automobil-, Automobilzulieferer-, Bestückungs- und Leiterplattenbereich war es nun, eine praxisorientierte Testmethode zu entwickeln, die eine eindeutige Zuordnung des Fehlerbildes sowohl für den Leiterplattenhersteller als auch für den Bestücker und den Endabnehmer gleichermaßen zulässt.
Auf Basis dieser Untersuchungen wurden im Hause Gramm Technik GmbH Untersuchungen durchgeführt, um die Methode für die praktische Anwendung zu überprüfen.
2 ENIG-Beschichtungen
Stromlose Nickel/Gold-Beschichtungen mit einem empfohlenen Schichtaufbau von > 5 µm Nickel und > 0,05 µm Gold als Lagerschutz über einen Zeitraum von mindestens zwölf Monate im Lötbereich beziehungsweise > 0,1 µm Gold für ein entsprechendes Bondfenster beim Bonden mit Aluminiumdraht zeichnen sich durch plane Oberflächen und sehr gute funktionelle Eigenschaften für diese Anwendungsgebiete aus.
Teilweise angegebene Limitierungen auf Maximalschichtstärken von 0,07 µm für Gold entsprechen weder den Erfahrungen in der Praxis noch entsprechenden wissenschaftlichen Untersuchungen, sofern die Nickelschichten von ihrer Struktur her in Ordnung sind. Hier wird häufig die aus dem Abscheidungsmechanismus resultierende natürliche Lochfraßkorrosion mit der teilweise dramatischen Korngrenzenkorrosion einer strukturell gestörten Nickelschicht verwechselt. Vorliegende Untersuchungen zeigen, dass selbst bei – sicher überzogenen – Schichtstärken von 0,2 µm Gold und mehr eine ausgezeichnete Löt- und Bondbarkeit mit Aluminiumdraht gewährleistet ist.
Auch nach Mehrfachlötungen im Hochtemperaturbereich ist ein ausgezeichnetes Fließverhalten des Lotes und dadurch ein relativ geringer Voids-Anteil in der Lotverbindung gewährleistet, ebenso eine sehr gute Benetzung der Oberfläche und eine homogene Lötverbindung.
Der Phosphorgehalt in der Nickelschicht sollte dabei im Bereich von 5 % bis 10 % liegen. Der Nickeltransport ins Lot wird durch den Phosphorgehalt in der Nickelschicht verlangsamt, gleichzeitig bildet sich in der Grenzfläche Nickel/Lot bereits beim Umschmelzen eine Nickelphosphorschicht (Ni3P), die als zusätzliche Diffusionsbarriere wirkt.
Eine intakte teilamorphe Struktur der Nickelschicht verhindert Diffusionspfade entlang der Struktur beim Lötprozess und verhindert so den Einbau von zusätzlichem Kupfer in die Lotverbindung.
3 Black Pad-Effekt
Die – sicher die Funktionsweise der ENIG-Schichten absolut in Frage stellende – Erscheinung des Black Pad-Effekts wurde und wird immer wieder falsch interpretiert oder uminterpretiert.
Tatsache ist, dass es sich hier eindeutig um die Korngrenzenkorrosion (Abb. 1) einer in sich gestörten Nickelschicht beim Ladungsaustauschprozess bei der Vergoldung handelt, die sowohl die Benetzung der Nickelschicht beim Löten in Frage stellt, wie auch zu spröden intermetallischen Phasen in den Lötverbindungen führt. Hinzu kommt, dass diese Oberflächen beim Drahtbonden zu Lift off`s und damit zu vollkommener Unbrauchbarkeit führen (Abb. 2).
Abb. 1: Korngrenzenkorrosion
Abb. 2: Abheben beim Drahtbonden
Beim Lötprozess geht dabei das Gold meist problemlos in Lösung, während die Nickeloberfläche von den Kanten her entnetzt wird und in der Nickelschicht partiell dunkelgraue bis schwarze Verfärbungen sichtbar werden. Daher auch die Benennung des Effekts.
Eine Entnetzung des Lotes auf der Goldoberfläche hat übrigens mit dem Black Pad-Effekt wenig zu tun, sondern resultiert in den meisten Fällen aus Oberflächenverunreinigungen oder Fehlern beim Lötprozess. Es muss nochmals betont werden, dass diese Korngrenzenkorrosion absolut nicht mit der systembedingten Lochfraßkorrosion –welche die Funktionsweise kaum in Frage stellt – verwechselt werden darf.
Die Hauptursachen für den Black Pad-Effekt liegen in einer unsachgemäßen Führung des Nickelelektrolyten und – primär – einer mangelnden Toleranz von verschiedenen am Markt angebotenen Nickelelektrolyten gegenüber Verunreinigungen durch organische Schwefelverbindungen, welche durch das in der Praxis kaum vermeidbare Ausbluten fotosensitiver Stoffe aus den Lötstoppmasken kaum vermeidbar sind.
Sicher erscheint auf Grund dieser Darstellung und negativer Erfahrungen aus der Vergangenheit diese Beschichtung für manchen Anwender zunächst fragwürdig. Tatsache ist jedoch, dass
- bei Auswahl eines geeigneten Nickelelektrolyten
- bei sachgemäßer Prozessüberwachung
- bei kontinuierlich betriebener Beschichtung
- und moderater Belastung der Elektrolyten (MTOs)
eine zu 100 % sichere und qualitätskonstante Betriebsweise auf hohem Niveau gewährleistet werden kann. Die für viele Anwendungsfälle höchst interessante und bewährte Oberfläche kann somit nicht in Frage gestellt werden.
3 Black Pad – Identifikation
Festzustellen ist, dass ein zerstörungsfreier Nachweis des Effekts bislang nicht möglich ist. Selbst unter dem Rasterelektronenmikroskop kann auf der vergoldeten Oberfläche kein sicherer Nachweis des Fehlers geführt werden. Wird hingegen die Goldschicht mittels eines handelsüblichen Goldstrippers abgelöst, so ist bereits unter dem Lichtmikroskop eine Veränderung der Nickeloberfläche feststellbar (Abb. 3 und 4).
Abb. 3: Black Pad-Bereich nach Strippen der Goldschicht im Lichtmikroskop
Abb. 4: REM-Aufnahme eines Black Pad-Bereichs nach dem Strippen der Goldschicht
Der Ansatz der IZM-Untersuchungen lag nun darin, durch eine entsprechende Korrosionsauslagerung nach dem Goldstrippen den Effekt so weit zu verstärken, dass er unter dem Lichtmikroskop eindeutig identifizierbar wird. Die vom Fraunhofer-IZM ausgearbeiteten Ansätze wurden nun durch Versuchsserien im Hause Gramm Technik GmbH auf ihre praktische Umsetzung hin geprüft und brachten zufriedenstellende Ergebnisse.
3.1 Testmethode
Zur Prüfung von Oberflächen auf das Vorliegen des Black Pad-Effekts wird eine Lösung aus 9 g NaCl/Liter in Wasser mit einem pH-Wert von 1,1 verwendet; Einstellung des pH-Werts mit Salzsäure (HCl).
Bei der zu untersuchenden Oberfläche wird die Goldschicht mit einer üblichen Stripperlösung entfernt (Ablösung bei Raumtemperatur, 1 min Ablösezeit), gespült und in die Testlösung getaucht (Temp. 40 °C). Nach einer Verweilzeit von 30 Minuten wird die Probe entnommen, gründlich mit deionisiertem Wasser gespült und im Umlufttrockenschrank getrocknet. Die optische Beurteilung und Dokumentation erfolgt unter dem Lichtmikroskop bei 20-facher Vergrößerung.
Die Bewertung der zu untersuchenden Oberflächen erfolgte gegen die nachfolgend aufgeführten Vergleichsproben:
- Beschichtung von Leiterplatten (Lötstopplack normal ausgehärtet) im ENIG-Standardprozess aus der Produktion der Gramm Technik
- Beschichtung von Leiterplatten (Lötstopplack 50 % ausgehärtet) im ENIG-Standardprozess aus der Produktion der Gramm Technik
- Beschichtung von Leiterplatten, zusätzlich vorgetempert in einem weniger toleranten ENIG-Prozess
- Beschichtung von Leiterplatten (Lötstopplack normal ausgehärtet) in einem weniger toleranten ENIG-Prozess
- Beschichtung von Leiterplatten (Lötstopplack 50 % ausgehärtet) in einem weniger toleranten ENIG-Prozess.
Die Auswertung der bearbeiteten Proben erfolgt durch Untersuchung der von der Goldschicht gestrippten Platten unter dem Lichtmikroskop wie beschrieben sowie durch einen Bond- und Abzugstest der Platten im abgeschiedenen Zustand unter Verwendung eines 33 µm dicken Aluminiumdrahts.
3.2 Ergebnis
Die durchgeführten Untersuchungen unter Verwendung der beschriebenen Aufbauten und Verfahrensweisen führten zu folgenden Ergebnissen (Abb. 5):
Abb. 5: Übersicht der Ergebnisse des Vergleichstests
Die Produktionsplatte der Gramm Technik in normal ausgehärtetem Zustand zeigte weder nach dem Goldstrippen noch nach dem anschließenden Korrosionstest Auffälligkeiten (Abb. 6 und 7). Der Bondtest ergab Abrisswerte von min. 15,8 cN, max. 18,8 cN, X-3s: 15,19 cN und erzeugte keine Abrisse (Lift off: 0).
Abb. 6: Produktionsplatte voll ausgehärtet und gestrippt
Abb. 7: Produktionsplatte wie in Abbildung 6 nach dem Korrosionstest
Die Produktionsplatte der Gramm Technik, 50 % ausgehärtet, wies in beiden Fällen ebenfalls keine Auffälligkeiten auf (Abb. 8 und 9). Die Abrisswerte beim Bondtest betrugen min: 15,0 cN, max: 20,0 cN und X-3s: 13,48 cN und waren ohne Abriss (Lift off: 0).
Abb. 8: Produktionsplatte 50 % ausgehärtet und gestrippt
Abb. 9: Produktionsplatte wie in Abbildung 8 nach dem Korrosionstest
Die Vergleichsplatte im Zustand zusätzlich getempert war nach dem Goldstrippen unauffällig, zeigte jedoch nach dem Korrosionstest leichte Ansätze von Verfärbungen im Nickel. Die Qualität kann als ausreichend betrachtet werden, was der Bondtest auch bestätigte (Abb. 10 und 11). Beim Test wurden keine Abrisse gefunden (Lift off: 0) und führten zu folgenden Messwerten: min: 13,5 cN, max: 18,8 cN, X-3s: 10,99 cN.
Abb. 10: Vergleichsplatte getempert und gestrippt
Abb. 11: Vergleichsplatte wie in Abbildung 10 nach dem Korrosionstest
Die Vergleichsplatte im normal ausgehärteten Zustand zeigte bereits nach dem Goldstrippen deutliche Ansätze von Black Pad an einer Padkante und nach der Korrosionsauslagerung erhebliche Mängel (Abb. 12 und 13). Bei Abrisswerten von min: 10,5 cN, max: 18,8 cN, X-3s: 9,03 cN wurde im Bondtest eine Abrissrate von Lift off: 30 % ermittelt.
Abb. 12: Vergleichsplatte voll ausgehärtet und gestrippt
Abb. 13: Vergleichsplatte wie in Abbildung 12 nach dem Korrosionstest
Die Vergleichsplatte zeigte im Zustand 50 % ausgehärtet sowohl nach dem Strippen als auch nach dem Korrosionstest erhebliche (katastrophale) Black Pad-Erscheinungen (Abb. 14 und 15). Der Bondtest ergab Abrisswerte von min: 10,0 cN, max: 18,5 cN, X-3s: 7,54 cN und einen Abrissanteil von Lift off: 80 %.
Abb. 14: Vergleichsplatte 50 % ausgehärtet und gestrippt
Abb. 15: Vergleichsplatte wie in Abbildung 14 nach dem Korrosionstest
4 Zusammenfassung
Die Untersuchungsergebnisse bestätigen zu 100 % die bereits früher vom Fraunhofer-IZM und Endres/Horvath [2] publizierten Zusammenhänge bezüglich Ursachen und Wirkung des Black Pad-Effekts. Ebenso kann die Testmethode zuverlässig zur praxisnahen Überwachung der ENIG-Qualität sowohl beim Leiterplattenhersteller als auch beim Bestücker und Endabnehmer eingesetzt werden. In Grenzfällen können die Ergebnisse durch Aufnahmen unter dem Rasterelektronenmikroskop untermauert werden.
Die Testmethode bietet die Möglichkeit zur zeitnahen Qualitätsüberwachung der ENIG-Schichten. Was die Problematik des Lötstopplacks anbelangt, liegen weitreichende Erfahrungen vor, sodass hier in Zukunft Fehler weitgehend vermeidbar sein sollten.
Kritischer dürfte sich erfahrungsgemäß die Situation beim Einsatz von neuen Basismaterialien – zum Beispiel Hochfrequenzmaterialien oder phenolisch gehärtete Materialien – darstellen. Gerade hier dürfte die Testmethode von hohem Wert sein, um durch Fehlererkennung und präventive Maßnahmen Probleme von vornherein zu vermeiden.
Literatur
[1] R. Schmidt, M. Zwanzig, M. Schneider-Ramelow: Ursachen und Vermeidung des Black-Pad-Defekts beim Löten von SMDs; PLUS (2013)5, S. 1080–1087
[2] B. Endres, F. Horvath: Chemisch Nickel/Sudgold – Perspektiven einer funktionellen Oberfläche für den Elektronikbereich; PLUS (2003)5+6
[3] W. Scheel, M. Hannemann, R. Schmidt: Oberflächen für die Fügetechnik in der SMT-Baugruppenmontage; Galvanotechnik 89(1998)10
[4] R. Schmidt und M. Zwanzig: Untersuchung der Abscheidungsanomalien im System chemisch NiP/Au; DVS-Bericht 238
DOI: 10.7395/2014/Endres3
