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Beitrag zur Ursachenfindung des „Black Pad“-Effekts bei der chemischen Nickel-Gold-Abscheidung mit einem Vorschlag zur fertigungstechnischen Prüfung
Wegerer, Gabriele
Das sporadische, unvorhersehbare Auftreten des „Black Pad“-Defekts lässt die Zuverlässigkeit von Lötverbindungen der Electroless Nickel/Immersion Gold-Oberflächenfinishes anzweifeln, die sich ansonsten durch vielerlei Vorzüge auszeichnen. In dieser Arbeit werden zunächst die zahlreichen in der Literatur beschriebenen Ursachen für das Entstehen eines „Black Pads“ zusammengefasst. Praktisch bewertet werden diese Gründe nach dem Ausschlussprinzip durch die Analyse von im Betrieb ausgefallen Lötverbindungen, die padseitig das typisch schwarze Erscheinungsbild aufweisen. Nach dem Verständnis der Entstehungsmechanismen des „Black Pad“-Defekts wird im nächsten Schritt zur Verifizierung ein „Black Pad“ gezielt hergestellt, was phänomenologisch nur bei großen Pads gelingt. Reproduzierbar hingegen ist – unabhängig von der Padgröße – das Ergebnis der chemischen Zusammensetzung, wie ein Abgleich mit jenen der im Betrieb ausgefallenen „Black Pads“ zeigt. Im letzten und entscheidenden Schritt dieser Arbeit wird der Ansatz einer Prüfmethode gefunden, die einen „Black Pad“-Defekt sicher ausschließen kann. Als Ursachen für das Entstehen des „Black Pad“-Defekts werden in der Fachliteratur zahlreiche mögliche Faktoren genannt, die zum Teil sehr widersprüchlich sind, wie z. B. die Frage nach der Ausbildung einer intermetallischen Zone. Fast einhellig herrscht die Meinung, eine Phosphoranreicherung zwischen der Ni:P-Schicht und der sich ausbildenden intermetallischen Phasen würde zu einem „Black Pad“-Defekt führen. Analysen der chemischen Zusammensetzung von im Betrieb ausgefallenen „Black Pads“ zeigen hingegen, dass sich bei klassischen „Black Pads“ mit schwarzem Erscheinungsbild kaum intermetallische Phasen, vor allem keine Ni-Sn-Phasen, ausbilden und dass sich kein Phosphor anreichert. Es findet vielmehr eine Entnetzung auf der Ni:P-Schicht statt, nachdem das Gold im flüssigen Lötzinn in Lösung gegangen ist. Je nach Ausmaß des „Black Pad“-Defekts können zwischen den entnetzten Stellen bestenfalls inselförmig Lötverbindungsbereiche mit intermetallischen Phasen entstehen. Der Grundstein für das Entstehen des „Black Pad“-Defekts wird vielmehr während der EN-Abscheidung gesucht. Organische Verunreinigungen, allen voran Kohlenstoff, werden für das Entstehen einer porösen Ni:P-Oberflächen- und Schichtstruktur mit Kavernen und Vertiefungen verantwortlich gemacht, in denen sich Kohlenstoff leicht mikroskopisch, aber auch atomar, anreichern kann. Zusätzlich kann Kupfer durch die poröse Knospenstruktur an die Ni:P-Oberfläche diffundieren und so die Bildung der gewollten intermetallischen Ni-Sn-Phasen erheblich stören. Es wird gezeigt, dass bei einer unbeloteten Ni:P/Au-Schicht der Kohlenstoff gleichmäßig verteilt in der Ni:P-Schicht vorliegt. Bei einem beloteten „Black Pad“ hingegen liegt der Kohlenstoff graduell, zunehmend zur Ni:P-Oberfläche hin, vor. Verantwortlich hierfür sind höchstwahrscheinlich mehrere Reflowprozesse hintereinander – Kohlenstoff hat das Bestreben, zur heißeren Oberfläche hin zu „wandern“, Nickel dagegen nicht. Kohlenstoff verfügt zusammen mit Phosphor über die Möglichkeit, eine hexagonale graphitähnliche Schichtstruktur mit schwachen Van-der-WAALS-Kräften einzugehen, die ähnlich wie bei einem Schmierstoff unter Einwirkungen geringster Eigenspannungen gegeneinander abgleiten können. Dabei gilt, je höher das Verhältnis von Kohlenstoff zu Phosphor ist, desto gravierender ist der „Black Pad“-Defekt. Zusätzlich kann Phosphor im atomaren Bereich durch Kohlenstoff ersetzt werden. Graphit, dessen Bildung von Nickel als Katalysator unterstützt wird, lässt sich von Lötzinn unter Weichlotbedingungen nicht benetzen. Bei Verwendung einer handelsüblichen EN-Elektrolytzusammensetzung zum Aufbau der Ni:P-Schicht werden Partikel ohne Ladung, wie z. B. Graphit, ungerichtet und unkontrolliert abgeschieden, wobei feinere Graphitpartikel bevorzugt bei höheren EN-Badtemperaturen in die Ni:P-Schicht eingebaut werden. Zur Verifizierung wird im Labormaßstab Ni:P unter Zugabe von extremen Verunreinigungen zum Elektrolyten abgeschieden. Bei den Verunreinigungen handelt es sich um Rückstände, die sich je nach Art und Menge der Additivzugabe bei MTOs >> 5 zwangsläufig mehr oder weniger anreichern, aber auch um gezielt zugegebene Stoffe, die bei unsauberer Prozessführung über die Platinen ins elektrolytische Bad eingeschleppt werden können. Die Rückstände aufgrund des fortgeschrittenen Badalters fördern die Einlagerung von Kohlenstoff. Zusätzlich hierzu erhöhen die zugegebenen, verunreinigenden Stoffe den Kohlenstoffanteil in der Ni:P-Schicht und fördern die Ausbildung einer Struktur, die die Diffusion von Kupfer ermöglicht. Diese gezielt hergestellten „Black Pads“ setzen sich also chemisch wie diejenigen im Betrieb ausgefallenen „Black Pads“ zusammen und zeigen vereinzelt auch bei größeren Pads dunklere Verfärbungen. Über die Adhäsion der Lötverbindungen kann aufgrund der Bauteilwahl mit Gullwings keine Aussage gemacht werden. Sollte es erforderlich sein, Ni:P/Au-Schichten, die unter grenzwertigen Abscheideparametern gefertigt wurden, dennoch zu löten, wird gezeigt, dass eine Erhöhung der Belotungstemperatur das „Black Pad“-Risiko senkt. Das in dieser Arbeit erfolgreich angewendete Kamerasystem ist als Prüfmethode für den laufenden Fertigungsprozess geeignet. Damit können die „Black Pad“-Verfärbungen auf der Ni:P-Schicht, die aus der Einlagerung von Kohlenstoff und damit einer veränderten Oberflächenmorphologie resultieren, fertigungsprozesstauglich erkannt und datentechnisch verarbeitet werden, falls grenzwertige Prozessparameter bei der EN-Abscheidung unumgänglich sind. Diese Prüfmethode stellt die Grundlage für die Weiterentwicklung der Zuverlässigkeitsprognose von Lötverbindungen auf ENIG-Oberflächen dar.
The sporadic, unpredictable, occurrence of the „Black Pad“ defect leads to doubts about the reliability of solder joints of Electroless nickel/immersion gold surface-finishes, which are otherwise characterised by various advantages. In this paper, first through an extensive literature review, the numerous reasons and causes for the development of “Black Pad” are described and summarized. In practical terms, these reasons are evaluated by employing the exclusion principle through the analysis of solder joints which failed during operation and which also exhibit typical ‘pad-side’ black appearance. After understanding the mechanisms of generating the “Black Pad“ defect, in the next step, a “Black Pad” is purposefully manufactured for verification which, in a phenomenological way, was achieved only on large pads. Repeatable, however, (independent of the pad size) is the result of the chemical composition which is shown by a comparison with those “Black Pads” which failed during operation. In the last and essential step of this paper a basis of a testing method was found which was able to reliably exclude the “Black Pad” defect with certainty. Numerous partially contradictory causes for generating the “Black Pad” defect were found during the literature review, specifically, contradictions relating to the formation of an intermetallic zone. A (nearly) unanimous opinion among experts exists that a phosphorous enrichment between the Ni:P-layer and the forming intermetallic phases would lead to the “Black Pad” defect. The analysis of the chemical composition of “Black Pads” which failed during operation with a “Black Pad” appearance show, however, that scarcely any intermetallic phases, most notably no Ni-Sn-phases, are formed and that no phosphorus is enriched. Rather, a dewetting on the Ni:P-surface layer takes place after gold has dissolved in the liquid tin solder. Depending on the extent of the “Black Pad” defect, in a best case scenario, island-shaped solder joints with intermetallic phases form between the dewetted regions. The basis for generating “Black Pad” defects is more likely during the EN-disposition. Organic impurities, most notably carbon, are held responsible for generating a porous Ni:P-surface and -layer structures with caverns and recesses where carbon is able to easily enrich microscopically, and also atomically. Additionally, copper is able to diffuse through the porous dome structure onto the Ni:P-surface and thus significantly disturb the formation of the intended intermetallic Ni-Sn-phases. In the non-soldered Ni:P/Au-layer, carbon distributes evenly throughout the Ni:P-layer. However, in a soldered “Black Pad” sample, carbon is distributed gradually, increasingly towards the Ni:P-surface. Several consecutive reflow processes are probably responsible for this, as carbon tends to migrate towards the hotter surface in contrast to Nickel. Carbon (along with phosphorus) has the possibility of forming a hexagonal graphite-like layer structure with weak van der Waals forces which, similar to a lubricant, are able to slip off against each other under the influence of the smallest internal stresses. Then, it is essential to note, the greater the ratio of carbon to phosphorus, the more serious the “Black Pad” defect. Additionally, it is possible to substitute phosphorus for carbon within the atomic range. Graphite, whose formation is supported by nickel as a catalyst, can not be wetted by tin solder among soft solder conditions. When using a commercial EN-electrolyte composition for the build-up of the Ni:P-layer, particles without a charge (e.g., graphite) are deposited non-directionally and uncontrollably, whereas preferred finer graphite particles are incorporated at higher EN-bath temperatures into the Ni:P-layer. For verification, Ni:P is deposited on a bench-scale with the addition of extreme impurities to the electrolyte. Impurities are residues which accumulate more or less inevitably, depending upon the method and quantity of the additives’ addition at MTOs >> 5, but are also intentionally added substances which can be carried into the electrolytic bath by boards as the result of a non-clean process guiding. The residues, due to the aged bath, promote the inclusion of carbon. Additionally, the added impure substances increase the amount of carbon in the Ni:P-layer and promote the forming of a structure which allows copper to diffuse. These purposefully produced “Black Pads” are composed chemically identical like those which failed during operation and show scattered darker discolorations on larger pads. No statement can be made about the adhesion of the solder joints due to the choice of components with Gullwings. Nevertheless, should it be necessary to solder Ni:P/Au-layers which were manufactured among borderline parameters of deposition, it is shown that an increase of the soldering temperature lowers the "Black Pad" risk. The camera system described in this paper was successfully used as a suitable testing method for current manufacturing processes. Thus, the “Black Pad” discolorations, being the result of the inclusion of carbon and thus a changed surfaces’ morphology, will be able to be detected in a process capable way and will be able to be processed in a data technical way if borderline process parameters are inevitable during the EN-deposition. This testing method provides the basis for the further advancement of the reliabilities’ prognosis of solder joints on ENIG surfaces.
