Warum die Goldschichtdicke in ENIG beim Löten wichtig ist

Mar 06, 2024

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Die Hauptaufgabe der Endbearbeitung besteht darin, das Kupferpad vor Anlaufen oder Oxidation zu schützen und gleichzeitig die Oberfläche für die Baugruppe aktiv zu halten. Chemisches Nickel/Immersionsgold (ENIG) ist eine auf dem Markt weithin akzeptierte Oberfläche, die eine gute Lötbarkeit und Eignung für das Bonden von Al-Drähten bietet. Eine Hauptfunktion der Goldschicht besteht darin, die Oxidation der Nickelschicht zu verhindern.

Typischerweise folgt die Ablagerungsdicke den Empfehlungen gemäß IPC 4552, die eine akzeptable Mindestgolddicke von xmean - 3σ(sigma) ≥ 0,04 µm1 vorschlägt. Als potenzielle Antwort auf die steigende Nachfrage nach Kostensenkungen in der Leiterplattenindustrie könnte die Reduzierung der Goldzieldicke eine Option sein, um die Edelmetallkosten der Oberfläche zu senken.

Die für ENIG-Oberflächen verwendeten Vergoldungselektrolyte können in drei verschiedene Typen eingeteilt werden: Goldelektrolyte vom vollständig eingetauchten Typ und Goldelektrolyte mit gemischter Reaktion. Bei den Immersionsgoldelektrolyten wird die Abscheidung vollständig durch die Immersionsreaktion vorangetrieben, bei der Nickel aufgelöst wird, um die Elektronen für die Goldbeschichtung bereitzustellen. Um den immersiven Angriff auf das Nickel zu reduzieren, wurden in den letzten Jahren Elektrolyte entwickelt, die stärker autokatalytische Eigenschaften aufweisen. Da der Reaktionsmechanismus typischerweise auf einer Kombination aus Immersionsreaktion und autokatalytischer Reaktion basiert, können diese Elektrolyte als Goldtyp mit gemischter Reaktion bezeichnet werden. Je nach Art des Additivs bzw. Reduktionsmittels variiert das Verhältnis Eintauchen/autokatalytische Reaktion. Stärkere autokatalytische Eigenschaften bieten die Vorteile einer linearen Dickenzunahme im Laufe der Zeit und einer geringeren Dickenverteilung im Vergleich zu Tauchbädern.

Insbesondere kann die Dickenverteilung des Goldes je nach Art des Elektrolyten variieren und bei Goldelektrolyten mit hoher Immersion stark von der Galvanisierungstemperatur abhängen. Bereits eine Temperaturabsenkung um 15 °C kann zu einer Reduzierung der Schichtdicke um 20 % und mehr führen. Dadurch kann eine schlechte Temperaturverteilung im Galvanisierungstank leicht zu einer schlechten Golddickenverteilung auf der Platte führen. Gleichzeitig birgt eine geringe Golddicke ein hohes Risiko für die Bildung poröser Schichten.

Elektrochemische Messungen, bei denen die ENIG-Oberfläche einem korrosiven Elektrolyten ausgesetzt wurde, zeigen, dass der gemessene Strom bei geringer Golddicke über einen weiten Bereich schwankt, während die Goldschicht ab 0,05 nm dicht genug zu sein scheint, um einen guten Schutz gegen das Korrosionsmittel zu gewährleisten Angriff des sauren Elektrolyten. Die Grafik in Abbildung 1 veranschaulicht das Risiko einer höheren Porosität der Goldschicht bei geringer Zieldicke der Goldschicht.

Um den Effekt einer porösen Goldschicht auf die ENIG-Eigenschaften nach der Alterung zu simulieren, wurde eine XPS-Oberflächenanalyse an wärmebehandelten Proben durchgeführt. Die Proben mit unterschiedlich dicken Goldschichten von 40, 70 und 90 nm wurden 30 und 120 Minuten lang bei 150 °C getempert und dann mit einer Referenz verglichen. Die XPS-Ergebnisse zeigen, dass mit zunehmender Aushärtezeit ein höherer Gehalt an Nickel und Sauerstoff nachweisbar ist. Dieser Effekt hängt stark von der Dicke der Goldschicht ab; Bei einer geringen Golddicke sind bereits ohne Aushärtung Nickeloxide auf der ENIG-Oberfläche nachweisbar. Bei zusätzlicher thermischer Belastung erhöhen sich diese Werte deutlich. Der Unterschied ist zwischen 40 und 70 nm am deutlichsten. Bei 90 nm wird die Migration von Nickel gehemmt, so dass auch nach 120 Minuten Aushärtungszeit die Nickeloxide auf der Oberfläche auf einem niedrigen Niveau gehalten werden können.

Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Goldschicht mit abnehmender Golddicke poröser und dadurch durchlässiger für die Nickelmigration wird.

Da eine geringere Golddicke und eine höhere Porosität der Goldschicht zu einem erhöhten Risiko der Nickeloxidbildung auf der ENIG-Oberfläche führen, wirkt sich dies wahrscheinlich auch auf die Lotbenetzung der endgültigen Oberfläche aus. Lotbenetzungstests, wie z. B. der Lotausbreitungstest, bestätigen diese Beobachtung. Bei diesem Test wird ein Lotdepot auf das ENIG-Pad gedruckt und aufgeschmolzen. Die Panels wurden vor dem Lötprozess durch Feuchtalterung und 2x Reflow-Alterung vorgealtert, um die Bedingungen im Montageprozess zu simulieren.

Abbildung 3: Lotverteilung für Goldschichtdicken von 40 (Probe 1), 70 (Probe 2) und 90 (Probe 3) nm.

Obwohl die ENIG-Schichten mit einer Golddicke von 40 nm die Akzeptanzkriterien für den Lotausbreitungstest eines Benetzungswinkels unter 25 °C erfüllen können, ist bei höherer Golddicke deutlich eine verbesserte Benetzbarkeit zu beobachten. Die Migration von Nickel zur ENIG-Oberfläche, die mit der geringeren Golddicke und der höheren Porosität verbunden ist, hemmt die Bildung der Cu/Sn-Intermetallverbindung und birgt dadurch das Risiko von Lötfehlern. Dies spiegelt sich in der verringerten Benetzungsleistung am unteren Ende der niedrigen Golddickenwerte wider.

Aufgrund dieser Gefahr von Lötfehlern bei ENIG-Schichten muss die Goldschichtdicke in den angegebenen Bereichen gehalten werden. Um starke Dickenschwankungen auf der Platte zu verhindern, muss der Vergoldungsschritt gut kontrolliert und die Temperaturverteilung im Tank gut aufrechterhalten werden.

Als zusätzliche Maßnahme zur Verhinderung von Lötfehlern durch geringe Golddicke können auch Mischreaktions-Goldelektrolyte mit hohen autokatalytischen Eigenschaften wie die „Aurotech G-Bond“-Serie in Betracht gezogen werden. Die autokatalytischen Eigenschaften, die sie aufweisen, können dazu beitragen, die Dickenverteilung und damit das Risiko einer versehentlichen Plattierung mit geringer Dicke zu verringern.

Verweise

Britta Schafsteller ist Global Product Manager of Selective Finishing bei Atotech Deutschland GmbH& Co KG. Mario Rosin ist Global Application Manager bei der Atotech Deutschland GmbH& Co KG. Gustavo Ramos ist Global Product Director of Selective Finishing bei Atotech Deutschland GmbH& Co KG. Joe McGurran ist Produktmanager bei Atotech USA, LLC.