SMT焊接中的镀金：焊接中不为人知的秘密

2025-08-04

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一、前言

由于其用途广泛，黄金在电子工业的许多领域都有着广泛的应用。例如，它可以用作蚀刻抗蚀剂、接触膜等。射频金是一种用于电路连接的完美表面处理材料，它具有保护涂层、引线键合表面处理、芯片贴装表面处理以及可焊涂层等优点，能够提供良好的焊接性能。在焊接过程中使用金时，有一些关键点需要特别注意。使用不当会对焊接过程产生重大影响，并严重损害焊点的性能。

过去，金镀层的平均厚度往往大于实际应用所需厚度。大多数情况下，金镀层的厚度与应用场景和镀液密切相关。对于硬度更高、晶粒更细的镀层，需要选择合适的共沉积组分、晶粒细化添加剂和光亮剂。一般应用中，镀层平整、光亮且薄（≤30μ英寸）。而在其他应用中，例如芯片粘接区域和引线键合，由于需要更粗糙、无光泽的表面，因此可能不需要额外的添加剂，从而形成更厚的镀层（≥30μ英寸）。

在大多数应用中，镀金层的厚度取决于后续工艺。厚镀金层不仅用于特定用途，有时也用于后续的锡回流焊工艺。然而，在厚度为30μ英寸至100μ英寸的镀金层上进行焊接，可能会导致焊接不良或焊后脆化。这些问题会降低镀金层上焊点的可靠性。这些不利特性和低可靠性导致的高成本使得镀金层市场一度萎缩，直到相关研究报告和影响得到广泛讨论后，这种情况才在近期有所改善。

二、黄金回收

近年来，随着黄金在电子行业的广泛应用，一些问题也逐渐显现，特别是焊料与镀金电路表面之间的焊接问题，引起了业界的广泛关注。本文将探讨以下几个方面：

金电镀焊接工艺
该过程与两种金属之间形成键
提高关节可靠性和延长使用寿命的工艺中需要考虑的因素

三、镀金层厚度

对受损焊点的金相组织分析表明，镀金层厚度与焊点的可靠性直接相关。幸运的是，大多数用于焊接的镀金层厚度都比较薄。 电路板s 的厚度范围为 5μ 英寸至 15μ 英寸。对于镀金工艺，有效控制镀层沉积以形成更薄的镀层并减少孔隙尤为重要，原因如下：

它能够以更低的成本实现完整的焊接。
它能降低焊接后焊点脆化的风险。
它降低了孔隙形成的概率。
它能减少回流焊过程中锡的消耗。

IV. 焊接保护

镀金的主要目的是有效保护下方的镍层。由于焊接实际上是在镀金层下方的镍层上进行的，因此焊接的完成取决于镀金层与下方镍层的熔合和附着。为了使焊料与下方的镍层结合，焊接过程中必须熔化镀金层。因此，适用于焊接的高质量镀金层必须薄、致密且孔隙率低。

薄金层熔化后，焊料会迅速与镍层结合。因此，镍层必须具有优异的活性和可焊性；否则，镀金层就失去了意义。过去，由于对电镀工艺的误解，我们常常忽视了它的重要性（详见“镀金工艺执行”部分）。

虽然镍可以用焊料焊接，但其反应速率比铜慢。因此，焊接过程中需要更多的能量才能完成焊接。这对于理解回流焊过程中焊膏的反应至关重要。简而言之，在回流焊过程中，我们需要延长焊料熔化成液态的时间，以确保镍和锡之间充分反应。

焊接反应的完成取决于镍锡界面处充分的反应，该反应会形成连续的金属间化合物（IMC）层。该镍锡IMC反应层不仅能够实现元件与外部系统之间的电气连接，而且还能为装配系统中的元件提供足够的强度，使其能够抵抗环境损害。

五、镀金工艺的执行

让我们从另一个角度来考虑焊接问题。为了确保镍层与焊料之间良好的熔合，必须特别注意镍层沉积过程中的杂质含量。一般来说，镍层中的杂质含量越低越好。即使对于化学镀磷镍工艺，控制杂质含量也至关重要。

因为杂质的共沉积或夹杂都会加速两种不同金属间键合反应中特定界面的形成，并干扰两种组分之间的反应。这种干扰会减少反应物沉积的面积，削弱两种组分之间的键合强度，并直接影响其使用寿命。

因此，电镀液必须妥善储存和过滤，以减少共沉积和污染物夹杂。对于化学镀磷镍而言，尤其需要将溶液中的磷含量控制在最低范围内。如果在镍沉积过程中溶液中的磷含量超过一定比例，则会阻碍镍层的沉积，导致沉积层强度降低，在焊接过程中容易发生“失效”。

六、脆性

从焊接脆性的角度来看，控制镀金层厚度对焊接至关重要，因为薄金层可以有效减小界面处形成的金锡金属间化合物（IMC）的厚度。在许多情况下，反应界面处的合金浓度明显较高。对于较厚的镀金层（>20μ英寸），回流焊过程中生成的金锡IMC无法均匀分散在整个焊点结构中，而是导致两种组分分离。在这种分离状态下，金浓度较高区域的焊点完整性在循环热循环后会显著降低。

对于焊点而言，平坦的配合面最影响可靠性。这类界面包括电路板上表面贴装焊盘与芯片元件或鸥翼式引线元件之间的区域。

在较大的边缘处，如果镀金层过厚（>40μ英寸），会显著影响焊接可靠性。观察镀金表面焊接边缘的焊料浓度，我们发现金锡金属间化合物主要在表面贴装元件与电路板上的镀金焊盘之间形成完全饱和的封闭连接，这极大地影响了焊点的可靠性。

以往案例中，大多数焊点失效都发生在金锡金属间化合物（IMC）层。由于金锡IMC的脆性，裂纹容易在表面贴装元件与焊盘的界面处形成并扩展，最终可能导致焊点断裂。值得注意的是，易裂纹区域的共同特征是组件中焊料极薄，这可能是由于元件放置不当造成的焊料损失所致。

有时，制造商会在回流焊前增加元件贴片机的压力，以确保元件与电路板焊盘之间良好的粘合性，希望元件能够牢固地嵌入焊膏中。然而，过大的压力会导致印刷在电路板焊盘上的焊膏从焊盘上脱落，从而在回流焊过程中造成该区域的焊料损失。最终，在回流焊过程中，焊料表面很容易发生金锡之间的饱和金属间化合物（IMC）反应。因此，焊料厚度对于特定焊接区域至关重要。

顺便一提，在焊料与金层表面反应过程中，焊料中的锡很容易被消耗。锡消耗过量的焊料会在金属间化合物（IMC）层、镀金层和凝固焊料之间的界面处凝固。从材料特性来看，IMC层坚硬而脆，而连接这两个界面的区域则柔软且富含铅。这种精细结构非常容易受到循环热冲击的影响。

七、虚空

关于空隙形成的原因，目前存在多种推测。一种观点认为，空隙是由于加热过程中固体（此处指镀金表面）内气体膨胀而产生的，导致金属内部出现空隙，这与镀金表面有关。此外，其他常见的空隙形成原因还包括收缩和未能及时清除残留焊剂。

空隙通常是由于焊料与镀金层在焊接反应过程中大量吸收有机物所致。金属沉积的任何步骤都可能发生堵塞。因此，为了有效减少空隙的形成，必须仔细选择添加剂，重点关注其颗粒是否细化、是否具有润湿性和光亮性。否则，有机污染物会在沉积过程中大量滞留在金属层中。这些添加剂在焊料熔化及其与镀金层的反应过程中可能会挥发或消散。

对于焊料而言，光亮镀层会造成不同程度的气体逸出，从而导致焊点出现空隙。这些空隙的形成机制值得进一步探讨：当空隙逸出并移动到平坦的配合面上时，由于该区域空隙数量少且流动性差，它们无法与其他空隙合并以增加浮力，因此难以逸出。这些空隙会削弱整个结构的强度，因为裂纹很容易从空隙处萌生和扩展，最终导致焊点断裂。通常，较薄的镀金层可以限制有机物的吸收，从而降低空隙形成的概率。

八、镍消耗量

回流焊后，厚金镀层界面处会发生大量的金属间化合物（IMC）反应，相应的，反应部位会消耗大量的锡。随着焊料中锡的消耗，铅成为焊料的主要成分，导致富铅区域变脆。IMC和空洞的聚集对焊接可靠性危害极大，因此在处理镀金表面时必须格外注意。

九、主要考虑因素

在焊接过程中使用镀金焊盘时，以下几点需要特别注意：

金镀层厚度必须控制在 5μ英寸至 15μ英寸的范围内。
确保镀金层下的镍层可焊。如果使用磷镍合金，则必须将磷含量控制在最低水平。一般来说，镍的纯度越高越好。
在回流焊过程中，焊料熔化成液态的时间应该足够长，以确保焊料和镍之间有足够的反应，从而实现完全粘合。
在镀金过程中，要保证电镀液的质量，同时保持溶液过滤、碳化和工艺控制。

X. 结论

根据以往经验，二次反应往往会对材料结构造成破坏性损伤。金锡焊点的失效机制中也经常观察到类似的现象。在金锡焊点的二次反应中，界面处会形成金锡金属间化合物（IMC）层，这会显著影响焊点的强度并缩短系统的使用寿命。因此，在镀金焊盘上进行焊接是一个相当复杂的问题。

在行业对可靠性不断提出更高要求的前提下，深入了解镀金结构和严格控制工艺流程是唯一途径。良好的工艺环境能够有效降低故障发生的概率。