化學鎳與浸鍍金之考量
作者：白蓉生 先生
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概說（General）
『化學鎳金』是一種通俗說法，正確的名詞應稱為『化鎳浸金』（Electroless Nickel and Immersion Gold: EN/IG）。化學鎳層的生成無需外加電流，只靠高溫槽液中（約88℃）還原劑（如次磷酸二氫鈉NaH2PO2等）漣@用，針對已活化的待鍍金屬表面，即可持續進行『鎳磷合金層』的不斷沉積。
至於『浸鍍金』的生長，則是一種無需還原劑的典型『置換』（Replacement）反應。也就是說當『化學鎳表面』進入浸金槽液中時，在鎳層被溶解拋出兩個電子的同時，其『金層』也隨即自鎳表面取得電子而沉積在鎳金屬上。一旦鎳表面全被金層所蓋滿後，金層的沉積反應逐漸停止，很難增加到相當的厚度。至於另一系列的『厚化金』，則還需強力的還原劑方可使金層逐漸加厚。
一般而言，化鎳層厚度幾乎可以無限增長，實用規格以150~200微吋為宜，而浸鍍金層的厚度則只2~3微吋而己，厚化金有時可達20~30微吋，當然價格也就另當別論了。後表1即為化學鎳（美式說法稱為無電鎳）之一般物性。
表1.化學鎳（無電鎳）鍍層之重要物理
物理性質 測值 測試方法
Hardness 硬度 500~700 HV100 Vickers
500~700HK100 Knoop
45~55 RC Rockwell
Density 密度 7.9~8.3g/cm3 pure Ni=8.90
Melting Point 熔點 890℃ 7<P<10%
Thermal Expansion 熱膨脹 12~15m/m℃ 0~100℃
Wear Resistance 耐磨性 14~18TWI weight loss
(Taber Wear Index) 1000 revs. 10N
Electrical Resistivity 電阻係數 55~90cm
Elongation 延伸性 1~2.5% Instron Pull Test
Internal Stress 內應力 0~5 kpsi Tensile from 10~6% P:1mil
Thermal Conductivity 導熱係數 0.01 cal/。cm sec
Phosphorous 磷含量 6~10% ICP AA
Grain Size 晶粒大小 0.001~0.01m
(10~100A) X-Ray Diffraction
Tensile Strength 抗拉強度 500~750N/mm2 Instron Pull Test
焊接（Soldering）
事實上板面化鎳金所形成的焊點（Solder Joint），其對零件之焊接（Soldering）強度（Strength）幾乎全都建築在鎳層表面上，鍍金之目的只是讓鎳面在空氣中受到保護不致鈍化或氧化，維持起碼的焊鍚性（Solderability）而已。金層本身完全不適合焊接，其焊點強度也非常不好。
在高溫焊接的瞬間，黃金早已與鍚組成不同形式的『介面合金共化物』（IMC,如AuSn,AuSn2,AuSn4等）而逸走，因而真正的焊點基礎都是著落在鎳面上，焊點的強弱與金無關。也就是說銲鍚（Solder）中的純鍚（Tin），會與純鎳形成Ni3Sn4的IMC（Intermstallic Compound）。薄薄的金層會在很短時間內快速散走，溜入大量的銲鍚中。金層根本無法形成可靠的焊點，而且金層越厚時溶入銲鍚中也越多，反而使整體焊點強度為之變脆變弱。
硬度（Hardness）與打線（Wire Bond）
化學鎳本身約含磷份6%~10%，此磷含量會影響到硬度。若此化學鎳金層當成『打線』（Wire Bond）的基地時，則鎳層的硬度頗具關鍵性。硬度不足加上打線的高溫，會使得板材軟化中（超過Tg）用力壓下打成『扁點』（Wedge Bond）時，其所亟需的支撐力難免會有所欠缺，進而使得對『結合強度』（Bond Strength）的拉力試驗無法及格。
一般焊接用途的化鎳層並不講究硬度，但汽車零件中某些指定鍍化學鎳而要求耐磨者，則對硬度絲毫不能含糊。目前開發的『鎳鈀金』三合一化學鍍層，在打線方面的效果要比現行的『鎳金』雙層更好。
疏孔度（Porosity）
由於浸金之厚度很薄，難免會有疏孔（Pore）存在，致使底鎳未被完全保護。一旦停留在濕氣環境中稍久，則將產生『賈凡尼』效應（Galvanic Effect）式的電化學腐蝕。也就說當疏孔面對電解質環境時，黃金層將扮演高貴而不腐蝕的『陰極』角色，但卻強迫底鎳層扮演加速腐蝕的『陽極』倒霉份子。一般EN/IG層根本無法通過『硝酸蒸氣』對疏孔的檢驗法（IPC-TM-650,2,3,24,2），但卻可採用『紅血鹽』試紙法（Potassium Ferricyanide）去檢測疏孔所出現的藍點。在100倍放大觀察下，良好的化鎳浸金層，其所出現的藍點不可超過10 pores/mm2。
惡劣環境放置太久造成鎳鏽自疏孔向外冒出時，將會使得焊鍚性變差。且該種鎳鏽也無法被一般助焊劑所能清除，即使勉強將零件腳『焊接』在有問題的『化學鎳金』焊墊上，也是一拉就掉根本未焊牢，因其間並未形成IMC之故，只是一種冷焊或假焊而已。
甚至用力拉脫後還常見到底鎳層已經出現黑色的氧化鎳。因而化鎳浸金流程的最後清洗，一定要用良好的熱純水去徹底漂洗清潔疏孔的化學品，並隨即迅速熱風乾燥與密封包裝，以保護其焊鍚性不致提早結束。之後還需要避免任何酸鹼接觸的機會，且當焊鍚性不佳時也不可採用酸洗，連焊接所用較強之助焊劑也應徹底除盡，避免在疏孔處繼續底鎳的加速鏽蝕。否則焊點強度減弱隨時都會脫落，甚至分開所見之底鎳多半已經變黑。
高頻訊號（High Frequency Signal）
微波通信機器或高頻電子產品（10 GHz以上）中，其所用電路板最好不要鍍EN/IG，也不要採用電鍍鎳。因在集膚效應（Skin Effect）下，高頻訊號絕大部份是經導線的表皮所傳輸的。銅的電阻係數最低（1.7 cm），電鍍鎳不好（7.4 cm），而化學鎳更差（55~90 cm），故鎳層會造成高頻訊號（Signal）能量方面的損失（Signal Loss），不可不事先考慮。若必須鍍鎳時其厚度也應低於2.5 m（100 in），以減少功能方面的異常，一般業者對比瞭解者不多。
阻隔效應（Barrier Effect）
電鍍鎳或化學鎳，對金與銅之間的遷移（Migration）或擴散（Diffusion）都具有阻絕效應，後者尤佳。當板子處於高溫環境中時，金與銅的『相互往來』將會增快。以板邊金手指而言，其『接觸電阻』（Contact Resistance）的品質對整體功能頗具舉足輕重的地位，一旦金層遭銅侵入，整體功能自然受損。下表2即為各種鎳層厚度經1000小時高溫考驗後，其接觸電阻值劣化的對照數據。
表2.電鍍鎳層在不同高溫經1000小時老化後接觸性的保持情形
G/F中鎳厚度 65℃中之接觸性 125℃中之接觸性 200℃中之接觸性
0.0m 100% 40% 0%
0.5m 100% 90% 5%
2.0m 100% 100% 10%
4.0m 100% 100% 60%
由表2之實驗數據可知，低溫環境中銅與金之間的遷移並不會造成『接觸電阻』的障礙，甚至無鎳層的存在也不致發生太大的麻煩。常用的大哥大手機與呼叫器等，其化鎳厚度只需80 in即已足夠達到阻隔效應。現實中一般規格對鎳厚都要求在150 in以上，似嫌稍苛。
化鎳層除了能隔絕銅與金之間的不良『互動』，而將金面的『接觸性』維持良好外，還可阻止焊鍚性的劣化。因當金層直接觸及銅面時難免不會有少許的銅份混入『金層』，如此一來其焊鍚性將會迅速惡化。化學鎳層在這方面的能耐要比電鍍鎳層高出2~10倍之多，相信是拜鎳磷合金之所賜。
表3.高溫中銅成份穿過各種厚度化鎳層向金層滲透的結果
化鎳阻隔厚度 400℃ 24hr. 400℃ 53hr. 550℃ 12hr.
0.25m
0.50m
1.00m
2.00m 1m
1m
1m
no diffusion 12m
6m
1m
no diffusion 18m
15m
8m
no diffusion
事實上當焊接完成後，其焊點結構成也就開始了緩慢的老化，例如銅與鍚之介面間會在焊接瞬間形成Cu6Sn5之良性『介面合金並化物』（IMC），也唯有如此才得以具備良好的機械強度（Mechanical Strength）。不幸在銅與鍚的緩慢互動遷移之下，終究會產生惡性的Cu3Sn以致焊點強度衰退。這種老化現象不但無法避免，且當環境溫度愈高時衰老也愈快。
表4.各種金屬溶入銲鍚之溶速
金屬 溫度℃ 溶入速度（微吋/秒）
Gold 450
486 117.9
167.5
Copper 450
525 4.1
7.0
Palladfum 450
525 1.4
6.2
Nickel 700 1.7
由於黃金與銲鍚（Solder）中純鍚（Tin）的形成IMC與後續老化兩者速度均極快，致使兩者之間根本不能共築可靠的焊點。凡當『化鎳浸金』之處理層用於焊接時，其焊點完全是生長在化鎳層面上，形成Ni3Sn4的IMC焊點介面，浸金層只是做為化鎳表面的保護皮膜，避免生鏽維持其應有的焊鍚性而已。
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