The plating process of electroless nickel followed by the immersion gold (ENIG) has been widely used for a successful finish of solder pads of printed circuit boards (PCBs), as well as ball-grid array (BGA) and flip chip substrates. The Ni(P) film plated by the electroless nickel plating has a decisive edge providing a uniform and flat surface for soldering and an effective diffusion barrier keeping Cu from diffusing into Sn-based solders resulting in Cu-Sn intermetallics. Fracture between two intermetallics, $Cu_3Sn$ and $Cu_6Sn_5$, causes severe reliability issues; thus, to prevent this from happening, the ENIG process was suggested and proved to be more reliable from the perspective of mechanical properties. However, the ENIG process was not flawless and has experienced mechanical failure called “black pad” in the rare occurrence. For more than a decade, many companies have dedicated their resources to define and characterize the black pad phenomenon, and at the later stages, tried to find the on-off mechanism for it. Concerning all the efforts in the written forms, the results seem returned nearly blank. Some of mechanisms having been suggested can only represent the possibility of the phenomenon. They all failed to explain the properties of the black pads and reproduce the black pad samples without any artificial manipulation such as applying 1V potential during the IG process or inducing size-effect corrosion by the circuit design. This difficulty may lie in the nature of the ENIG process. However, in this work not only were the black pads successfully reproduced by the unique combination and amount of chemicals, which have not been used in any ENIG-related research, but more importantly the research did not rely on the artificial manipulations such as those mentioned above. Based on what was achieved in this research, new structural and compositional properties of black pads were found by the SEM, TEM, EDS, FIB, and SKPFM. The black pad samples were produced in the range of 6 wt% of phosphorous(P), and the black band area was found to be amorphous after the corrosion by the IG process. The TEM with the aid of EDS analysis showed that the black band region had the compositional characteristics having the P content from 25 to 30 at% which can be interpreted that the black band is in the $Ni_3P$ stoichiometric range. The on-off mechanism which applies to this research was suggested based on the results of the experiment, and it can be finalized that the local P content variation can causes the formation of micro-galvanic cell resulting in inducing the potential difference in the local area of the Ni(P) film. This mechanism was proved successfully by the series of corrosion couple experiment.
ENIG proces라 통칭되는 구리 모체 위에 무전해 니켈 도금 후 이루어지는 immersion Gold 공정은 현재까지 printed circuit boards(PCB) 및 ball-grid array(BGA), flip chip substrate의 솔더 패드의 후처리 공정으로써 현재까지 그 성공적인 기계적 특성으로 인해 광범위하게 사용되어져 왔다. 무전해 니켈 도금으로 얻어지게 되는 Ni(P) film은 솔더링시 매우 균일하게 평탄한 표면을 제공하는 강점을 가지고 있을 뿐만 아니라 Copper가 solder로 확산되어 Cu-Sn 금속간화합물을 형성하는 것을 막는 확산 방지 역할까지 수행한다. 현재까지 보고된 바로는 Cu확산으로 이루어지는 Sn-based 솔더에 생기는 금속간 화합물인 $Cu_3Sn$ 와 $Cu_6Sn_5$ 의 계면은 심각한 기계적 신뢰성 문제를 야기한다. 따라서 이 문제를 해결하기 위하여 ENIG process가 제안되었으며 기계적 신뢰성면에서 더 나은 결과를 보였다. 그러나, ENIG 공정 역시 결점이 없는 것은 아니며 지금까지 자주 일어나는 현상은 아니었지만 black pad라 불리는 기계적 결함을 야기하는 현상 때문에 ENIG 공정에 대한 문제점도 이슈화 되었다. Black pad가 새롭게 문제화 되면서 이 현상에 대한 특성을 확인하고 후에는 최종적으로 메카니즘을 밝혀내기 위하여 20개가 넘는 회사가 컨소시엄 형태로 연구를 진행하였다. 하지만 샘플의 재현성이 극도로 어려워 제대로 된 분석을 현재까지 해 내지 못했으며 지금까지 제안된 메카니즘들은 1V의 전압을 가하거나 size-effect를 이용한 다양한 corrosion mode를 이용해 현상 재현의 가능성만을 연 매우 제한적인 결과들이다. 연구결과들은 모두 black pad 현상이 나타난 샘플들의 특성을 과학적으로 분석해내지 못했으며 샘플 재현성 또한 얻지 못하였다. 연구들의 제한적 결과들은 ENIG 공정 특성상 그 중간 과정에서나 in-situ로 샘플을 확인하기 불가능함에 기인한다. 하지만, 본 연구에서는 특성 분석을 위한 특정 black pad 샘플들이 성공적으로 재현되었으며 이는 인위적인 circuit 조작없이 순수 chemical들로만 만들어낸 것이다. 이 연구에서 사용된 화학약품들의 조합은 기존 ENIG공정에서 만들어지는 Ni(P) film을 제조하는데 사용했던 그것과는 다른 것이다. 본 연구에서 얻어진 재현성이 완벽한 black pad 샘플들을 이용하여 새로운 black pad의 구조적, 정량/정성적 특성들이 SEM, TEM, EDS, FIB, XRD, AES를 통하여 밝혀졌다. black pad 샘플들은 대부분 phosphorous(P) content가 6 wt% 근처인 영역에서 제조되었으며 본 연구에서 만들어낸 Immersion Gold 공정이후의 black pad (black band)는 nanocrystalline phase에서 amorphous phase로 변화된 것을 확인하였다. black pad (black band) EDS 분석시 E-beam의 interaction volume으로 인한 오차를 피하기 위해 TEM 샘플을 이용 정량적 특성 분석을 실시하였는데 black pad는 IG 공정 이후 부식과정으로 인해 P content가 25 ~ 30 at%에 이르는 것으로 확인되었다. black pad 영역에 대하여 25 ~ 30 at%로의 P content의 증가는 IG 공정 시간과는 무관한 것으로 밝혀졌다. black pad의 on-off 메카니즘은 본 연구에서 진행된 실험에 근거하여 제안되었으며 최종적으로는 Ni(P) film에서 나타나는 P content의 영역별 차이가 potential차이를 야기하면서 micro-galvanic cell을 형성하는 것으로 밝혀졌다. 이 메카니즘은 일련의 corrosion couple실험을 통해서 성공적으로 증명되었다. Nodule boundary 의 과도한 부식은 더욱 soluble한 boundary라는 설명 외에는 본 연구에서도 완벽하게 이해되지 않았으나 Ni(P) film의 fractured surface에 대한 Auger Electron Spectroscopy (AES)분석으로 Cu 오염이 확인되었으며 이로 인하여 전해질에 노출될 시 추가적인 Ni/Cu galvanic cell이 형성 될 가능성이 있으므로 과도한 부식이 일어날 수 있음을 확인하였다.
