化镍浸金（ENIG）工艺是先在铜焊盘上化学镀镍磷层，再把镀有镍层的焊盘置于酸性金水中，通过置换反应，在表面覆盖上一层金层；因其具有不易氧化，可长时间存放，表面平整，可重复多次过回流焊不降低可焊性等优点，广泛应用于微间距器件以及共面度要求较高的 PCB 表面处理。
某公司的产品在制程中并未发现明显问题，但使用一段时间后，发现约3% BGA发生失效现象，针对此失效BGA进行原因分析。失效样品如图 1 所示。其 PCB 焊盘的表面处理工艺为 ENIG工艺，锡膏合金为 Sn63Pb37，BGA 焊球为 Sn3.0AgCu0.5。
* 图1 失效样品 *
失效样品焊点截面，如图 2 所示。焊球在PCB焊盘一侧开裂。焊接界面形成了连续的IMC层，开裂位置在 IMC 层与焊盘之间。IMC 层连续但形态比较杂乱，测量平均厚度为 6.9μm，最大厚度可达11.1μm。放大开裂位置，发现镍层表面可见一层颜色较深的化合物层，如图 2c 所示。初步判断为ENIG焊盘焊接过程中形成的富磷层。
* 图2a焊球整体形貌 *
* 图2b焊球开裂位置局部放大 *
* 图2c疑似富磷层 *
综上，焊球中存在三种异常：a. 焊球与 PCB 焊盘结合位置发生开裂；b. IMC 层偏厚；c. 镍层与IMC 层之间疑似存在富磷层。
2.1 对镍层和IMC层间颜色较深化合物层进行成分分析，如图3所示。其中含镍、磷两种元素， 磷元素含量16.96wt%。远高于本例中磷镍镀层中5～10wt%的磷含量范围，判断该化合物层为富磷层，平均厚度约0.8μm。
* 图 3 *
2.2 对焊点IMC 层进行成分分析，如图 4、5、6所示，焊点IMC层中含有铜元素，含量10.39wt%，选取IMC层中多个点进行成分分析，发现铜含量均远高于SAC焊球中的铜含量。分析铜含量，发现距离焊盘越远，铜含量越低。推断镍镀层之下的铜经过高温扩散进入IMC层。而铜进入锡镍IMC层将改变它的结构和性质。
* 图 4 *
* 图 5 *
* 图 6 *
2.3 结果分析：失效表现为焊点在焊盘与IMC层位置开裂。焊料与焊盘间形成的IMC 层形态杂乱且偏厚，焊盘镍层中磷富集现象明显，IMC 层中出现较多的铜元素。对焊盘镍层进行成分分析，如图 7 所示，镍层内磷含量7.07wt%，未超过磷镍镀层焊盘含磷量（5～10wt%），排除物料本身缺陷造成的富磷层偏厚。
* 图 7 *
富磷层形成原因及危害：ENIG焊盘在焊接过程中，镀层中的镍和焊料中的锡发生反应，形成Ni3Sn4，镍镀层中的磷不和焊料发生反应，镍层和焊料形成合金层后，镍层里的磷聚集在镀层和合金层交界位置，形成富磷层。富磷层是薄弱位置，富磷层越厚，焊点强度越低，影响焊点可靠性（常规IMC层厚度控制在1～2μm为最佳）。本例中峰值温度过高，回流时间偏长，造成IMC较厚，界面位置聚集的磷较多，富磷层更明显。富磷现象严重，大大降低了焊点强度。在装测和运输中受到本应可以承受的微小应力，焊点也会发生开裂。
铜含量偏高原因及危害：铜异常扩散进入锡镍IMC层中改变了其结构和力学性能，使IMC层脆性增加而与镍镀层的结合力减弱，导致焊点无法承受本应能够承受的正常应力， 形成早期失效。IMC 层中多个点的铜含量均远高于Sn3.0AgCu0.5 焊球中的铜含量。说明铜不完全来自于焊球。分析表明，靠近焊盘的IMC层中铜含量很高，达10.39wt%，而离焊盘较远的 IMC 层中则未检出铜元素。说明IMC层中的铜元素来自于焊盘中的铜元素扩散，镍层没能有效阻挡铜的扩散，焊盘中的铜经过焊接高温过程扩散进入 IMC 层。高温及长时间的回流加剧了铜扩散。本例中铜元素不当扩散与焊接工艺中高温及长时间的过度回流有关。
综上，焊点开裂原因是回流过程中峰值温度过高，回流时间过长。造成富磷层过厚和铜异常扩散进入IMC层，使IMC层和镍镀层之间结合力减弱， 微小应力作用下即发生开裂。
