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liloTree的ENIG突破性发展

十二月 08, 2017 | Patty Goldman, I-Connect007
liloTree的ENIG突破性发展

通过柔性电路大拿Joe Fjelstad,我了解了liloTree这家公司并结识了首席科学家Kunal Shah。这家规模不大的公司开发出了一种新型ENIG工艺,该工艺或许会撼动那些扎根本行业很久的化学品供应商的地位。这项新工艺性价比高,而且环保,同时还可以完全避免黑焊盘现象和脆性焊点问题。

Patty Goldman:Kunal,向我们介绍一下你的背景和你的公司吧。

Kunal Shah: 很高兴能接受这次采访。我在弗罗里达大学获得了材料科学与工程的博士学位。起初,我受聘于因特尔公司,担任高级科学研究员,在研发部门开发材料及研究材料化学构成等。在研发聚合物内层介质和钝化材料时,我是该项目的关键成员。从2008年开始,因特尔公司所有的IC产品都加入了聚合物钝化材料。之后,我在太平洋西北国家实验室短暂工作过,在一个国土安全部的项目中负责鉴定用于侦测辐射物的半导体材料。之后我搬到了西雅图,开办了liloTree这家公司。在liloTree,我们有两个工作目标。一是产品改善。因为我们位于西雅图,所以和几家航空航天公司展开了一些合作。

当他们的产品失效时,他们会找到我们,我们会做对材料做科学分析和评估,找出导致产品失效的根本原因。但我们不会只跟他们说,“嘿,这就是失效的原因。”我们还会告诉他们,“你要这样做才能避免同样的问题再次出现。”产品改善方案和我们的建议方案促使我们开始关注ENIG。有很多家航空航天公司总是不停地找我们解决问题,他们出现的产品缺陷或多或少都与化学镀镍/浸金工艺造成的黑焊盘现象有关。我们会告诉他们,“这种缺陷和黑焊盘问题有关”。这些公司的产品应用非常重要,所以无法承受同一种产品缺陷问题反复出现。之后,也有医疗电子品公司找到我们,他们也遇到了类似的问题。我们开始意识到,这类问题并没有相应的解决方案。

显然,我们发现了市场对这种解决方案的需求,因为就算我们告诉了他们解决方案,这也不是完整的解决方案。首先,制造商无法很好的理解这种方法。它的技术性和科学性非常强,而且制造商没有考虑过导致黑焊盘现象出现的根本原因。我们发现这是研发我们自己产品的好机会。第一,我们想对黑焊盘现象出现的原因有一个基本了解,之后要研发出一种技术来缓解这种现象,这样一来我们的产品就不会出现这种问题。我们把这种方法叫做ENIG-Premium,彻底解决黑焊盘问题。

市面上几乎所有的ENIG都使用的是氰基金化学组成,这种成分不仅会对环境有害,还有可能危害到操作人员的健康。我们开发了一种无氰金溶液并将其作为我们的产品定位。这对PCB制造商和元件制造商而言都是好事。

我们做了市场调研后,发现了另一个与ENIG有关的主要问题:焊点易脆。我们是在和真正的客户OEM的沟通过程中发现这一问题的。当焊料在ENIG上回流时,尤其是采用无铅焊料时,金属间化合物或焊点都非常脆。

我们在IPC APEX EXPO 2018展会上发表的论文将会详细介绍为什么ENIG和无铅焊料会比含铅焊料更容易出现脆性断裂。我们知道整个行业正在朝着无铅技术发展。对于使用无铅ENIG表面处理的应用或OEM而言,无铅焊点脆性断裂是产品的主要问题。

我们在开发ENIG-Premium时,首要目标就是做到防止黑焊盘现象的出现或是做到完全抗腐蚀。第二个目标是设计出独创的化学组成,尤其是无氰金化学组成,从而保证成分是对环境是无害的。第三个目标,也是最重要的目标,不论是采用含铅技术还是采用无铅技术,ENIG-Premium设计方案都会使所形成的金属间化合物非常稳定,不会发生与金属间化物相关的失效。

我们给国家科学基金会写了一封技术建议书,申请小型企业创新研究经费(SBIR)。我们的新型ENIG获得了第一阶段的经费。在这个阶段,我们完善了许多细节,并完全研发出了这个产品。

然后我们做了大量的市场研究,和50到70家不同的PCB制造商及元件制造商进行了沟通,他们是真正的ENIG终端用户。他们将这个产品应用在PCB或元件上,作为ENIG表面涂层。我们与他们谈论过他们面临的问题和挑战。在开发这个产品的过程中,我们建立起了知识库。

因为我们成功证明了该产品有效且很成功,以及市场调研和我们收到的反馈,我们获得了第二阶段的经费。

资金支持对我们而言非常重要。因为补助金的审核过程要持续六个月并且有两个委员会进行审核,所以我们的工作和研发的产品都变得更加有可信性。一个委员会负责审核产品的商业可行性,另一个负责审核产品的技术可行性、概念的技术论证以及技术是强健而稳定的。

现在我们已经准备好快速将ENIG-Premium商业化。我们明年会参加IPC APEX EXPO展会,做一些业务开发相关工作,将产品推向市场,让所有美国境内境外的PCB制造商对我们的产品有所了解。

Goldman:你现在已经和PCB厂家或制造商展开合作了吗?

Shah:有几家PCB制造商处于产品测试的不同阶段。世界上最大的挠性PCB制造商之一已经对ENIG-Premium完成了三轮测试,他们对结果很满意。他们只是在核实物流运输,之后会把产品安装在中国和美国的多家工厂中。还有很多家小型企业也不同程度采用了ENIG-Premium。他们已经认识到了这个产品的优点,并且在一步步地将其应用在所有的工厂和生产线上。

Goldman:所以说,它已经投入生产了,对吗?

Shah:是的。我们已经在内部对产品进行了很多科学测试。比如,我们在进行ENIG-Premium和传统ENIG的对比测试时,发现ENIG-Premium的抗腐蚀性能是传统ENIG的十倍以上。这是优点之一。而且绝对不会出现黑焊盘现象。原因之一是我们会在镍和金表层之间进行界面工程处理。一旦施加了化学镀镍磷镀层,我们会在镀金层之前对表面进行界面工程处理。施加焊料之后,富磷区域不会很好地润湿焊点。有的区域润湿效果不好,有的区域润湿效果较好。会出现气囊或孔洞,在显微镜下看都非常小。通常富磷区域会呈现黑色,所以叫做黑焊盘。

如果完全没有润湿,那么该区域就是完全失效。有时,该区域会出现一部分润湿、一部分没有润湿,这种情况更加危险,因为在投入使用之后会由于机械应力或震动的原因出现失效,之后就会出现完全失效。我们的做法是将后边的镍层做完全钝化处理。在镀金之后,它就会变得完全抗腐蚀。所以你不会看到富磷区域,这样一来,顶部是稳定的镀金层,下边是镍层。

我们用同样的原理处理形成的金属间互化物,因为在传统ENIG中,富磷区域会生成被称为Ni3p的相。一般情况下,它是镍9,磷10——常规情况下是90%的镍和10%的磷,以90:10的比率形成。化学镀镍沉积的组成成分一般是90%的镍和10%的磷,根据供应商的不同磷的含量会有所差异。

由于浸金工艺过程中镍已经被置换,而且在回流过程中镍会大量地扩散到焊料中,局部区域(朝向Ni-P一侧的金属间化合物)形成了称之为Ni3P的相。该相非常软,上面有亚微米尺寸的空洞,导致非常容易出现脆性失效。不论应力施加在哪里,只要相上出现了空洞,产品失效就是不可避免的。这就是为什么传统ENIG焊点常常会出现脆性失效的原因。

我们的技术有两个成果。第一,界面工程可以避免富磷区域的出现。在传统ENIG中,在260 °C温度下完成焊接时,过多的镍会扩散到焊点中。金属间化合物区域会厚出几微米。但我们可以明显限制或减少富磷区域。

第二,因为我们进行了界面工程处理,所以在焊接/回流过程中镍不会大量地扩散到焊料中。金属间化合物非常薄且密,只有不到几微米的厚度,所以Ni3p相可以忽略不计,产品会非常稳定。

我们请加利福尼亚一个获NASA认可的第三方实验室,测试了产品的金属间化合物和焊点。我们在印制电路板上使用了传统ENIG制备的焊料和ENIG-Premium制备的焊料,把这些样品送到了加利福尼亚的实验室中。他们参与了行业标准的制定,包括与IPC有联系的JEDEC。他们根据JEDEC的标准,对焊点进行焊料球剪切测试和拉球测试。

Goldman:我了解到一项新标准刚刚发布,规定了金的限制用量。这就涉及到你要如何测量镀金层的厚度,因为很多设备是无法准确测量镀金层厚度的。

Shah:我们非常了解这一点。界面工程的优点之一就是可以控制镀金层厚度。我们可以稳定地制造金厚度为50纳米的ENIG镀层。使用传统的ENIG方法,大多数PCB制造商都无法控制金层厚度,所以他们的金层厚度达到了1 00纳米,有的可能都达到了150纳米。金的含量过高可能会导致金脆化问题。在技术效益方面,我们的ENIG-Premium与传统ENIG的成本几乎相同。

Goldman: 真是个优秀的产品。你们是否已经为客户制定了技术服务网络?你们打算怎样提供这类服务?

Shah:这是个好问题。就像我之前说的,liloTree 有两个商业模型。一是产品改善方案,我们的职责是确定失效原因并提供解决方案。这是我们的主要核心竞争力。在美国境内和境外,我们的技术实验室具备各种科学器材,例如扫描式电子显微镜、使用EDS进行元素分析、使用XRF进行厚度测量,以及使用FTIR进行分子分析。我们已经组建了一个科学家团队为这类业务提供支持。一旦我们的客户遇到了任何问题,我们就会启用这个机制来解决问题。

Goldman:真不错。我想我们将在圣地亚哥的IPC研讨会上了解到更多内容。

Shah:是的。

标签:
#ENIG  #化学品  #环保 

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