SC合金电镀工艺及镀层性能研究.pdf
SC8 1 前言 电子部件上往往要镀覆可焊性镀层,以确保良好焊接。Sn 与 Sn-Pb 合金镀层具有优良的可焊性,已经广泛地应用于电子工业领域中。但是Sn-Pb 合金镀层中含有污染环境的铅,锡镀层容易产生导致电路短路的晶须。随着环境管理的加强与焊接品质的提高,人们希望使用无铅焊料镀层。现在已经开发了 Sn-Ag 合金、Sn-Bi 合金、Sn-In 合金与 Sn-Zn 合金等无铅焊料镀层,它们存在的问题有:1)获得 Sn-Ag 合金镀层的镀液中含有络合能力很强的络合剂,镀液管理复杂而困难,而且使用价格较高的银,使得镀层成本较高。2)铋的质量分数为 10%以上的 Sn-Bi 合金镀层的熔点为 130160,难以确保电子部件之间的可靠焊接。3)由于 Sn-In 合金镀层的熔点低于 Sn-Pb 合金镀层的熔点,降低了焊接接合时的焊接强度,铟的价格也较贵。4)由于 Sn-Zn 合金镀层容易氧化,因而难以在空气中进行可靠的焊接。基于上述无铅焊料镀层存在的问题,人们开发了另外的 Sn-Cu 合金镀层。Sn-Cu 合金镀层通常应用于装饰性镀层或者者作为 Ni 镀层的代用镀层,它的镀层构成,晶粒尺寸,平滑性与杂质都会影响 Sn-Cu 合金镀层的可焊性。此外,为了确保焊接可靠性,要求像 Sn-Pb 合金镀层那样,加热处理以后的可焊性与镀层外观仍然优良。本文就加热处理以后仍然具有优良可焊性的 Sn-Cu 合金镀液与电镀工艺加以叙述。2 工艺概述 研究发现,Sn-Cu 合金镀层中的杂质碳含量对镀层可焊性有着重要的影响。电镀以后的 Sn-Cu 合金镀层中的杂质碳几乎不可能存在于镀层表面上,因而不可能影响镀层的可焊性。但是假如在室温下长期储存或者者加热处理以后,由于室温下的扩散或者者由于加热引起的热扩散,碳就会浮出到镀层表面上,显著地影响镀层的可焊性。研究结果说明,Sn-Cu 合金镀层中的杂质碳的质量分数为 0.3%下列时,能够显著地提高镀层的可焊性。研究结果还说明,假如以 Sn-Cu 合金镀层取代 Sn-Pb 合金镀层,考虑到电子部件之间的焊接强度或者者 250300的焊接温度,Sn-Cu 合金镀层中的铜质量分数为 0.1%2.5%,最好为 0.5%2.0%。假如铜质量分数低于 0.1%,就容易发生锡的晶须而可能导致短路;假如铜质量分数高于2.5%,镀层熔点就会超过 300,难以进行良好焊接。Sn-Cu 合金镀液中含有可溶性锡盐与铜盐、有机酸、表面活性剂与防氧化剂等构成。可溶性锡盐有甲烷磺酸锡、乙烷磺酸锡、丙烷磺酸锡、2-丙烷磺酸锡等烷基磺酸锡盐与羟基甲烷磺酸锡、2-羟基乙基-1-磺酸锡、2-羟基丁基-1-磺酸锡盐等烷醇基磺酸锡盐。它们能够单独或者者混合使用。以锡计的质量浓度为 5100g/L,最好为 1060g/L。可溶性铜盐有甲烷磺酸铜、乙烷磺酸铜、丙烷磺酸铜、2-丙烷磺酸铜等烷基磺酸铜盐与羟基甲烷磺酸铜、2-羟基乙基-1-磺酸铜、2-羟基丁基-1-磺酸铜等烷醇基磺酸铜盐。它们能够单独或者混合使用。以铜计的质量浓度为0.0130g/L,最好为0.110g/L,在这一浓度范围内能够获得铜的质量分数为 0.1%2.5%且最好为 0.5%1.0%的 Sn-Cu 合金镀层。镀液中加入有机酸旨在络合镀液中的锡盐与铜盐,并用作镀液的导电性成分,提高镀液的稳固性与导电性。适宜的有机酸有甲烷磺酸、乙烷磺酸、丙烷磺酸、2-丙烷磺酸等烷基磺酸与羟基甲烷磺酸、2-羟基乙基-1-磺酸、2-羟基丁基-1-磺酸等烷醇基磺酸。它们能够单独或者者混合使用。有机酸质量浓度为 30500g/L,最好为 100250g/L。镀液中加入非离子表面活性剂旨在改善镀液性能,有利于获得平滑的Sn-Cu 合金镀层。适宜的非离子表面活性剂有聚氧乙烯烷基芳基醚、聚氧乙烯壬酚醚、聚氧乙烯烷基胺、聚氧乙烯山梨糖醇酯、聚乙烯亚胺等。它们能够单独或者者混合使用。非离子表面活性剂质量浓度为 0.550g/L,最好为 110g/L。镀液中加入防氧化剂旨在防止镀液中的二价锡离子氧化成四价锡离子,保持镀液与合金镀层构成的稳固性。适宜的防氧化剂有抗坏血酸及其 Na+、K+等碱金属盐、邻苯二酚、间苯二酚、对苯二酚、甲酚磺酸及其 Na+、K+等碱金属盐,苯酚磺酸及其 Na+、K+等碱金属盐,连苯三酚,均苯三酸等。它们能够单独或者者混合使用。防氧化剂质量浓度为 0.125g/L,最好为 0.510g/L。镀液中还加入了葡萄糖酸、酒石酸、富马酸等有机羧酸作为镀液稳固剂;加入了苯甲酰丙酮、戊二醛、苯醛、邻氯苯醛、1-萘醛、三聚乙醛、2-巯基苯并噻唑等作为光亮剂;或者者加入进一步改善镀液与镀层性能的阳离子、阴离子,两性等表面活性剂。镀液温度为 1070,最好为 2050。阴极电流密度为 0.1100A/dm2,根据挂镀、滚镀与喷镀等电镀方式使用不一致的阴极电流密度,比如挂镀的阴极电流密度为 0.21A/dm2,滚镀时的阴极电流密度为0.54A/dm2,喷镀时的阴极电流密度为 3060A/dm2。电镀阳极能够使用锡或者者 Sn-Cu 合金等可溶性阳极或者者镀有铂或者者铑的钛或者者钽等不溶性阳极。适宜于电镀的有 IC 引线架、连接器、片状电容或者片状电阻等电子部件。Sn-Cu 合金镀层厚度为 130m。假如镀层厚度低于 1m,镀层的可焊性容易降低;假如镀层厚度高于 30m,镀层可焊性不可能有进一步提高而不经济。3 镀液配方 Fe-Ni 合金(58%Fe,42%Ni)制双列直插式封装(D IP,Dual Inline Package)24 针(厚度 0.25mm)引线架,依次通过碱性脱脂、水洗、碱性电解脱脂、水洗、10%H2SO4 浸渍、水洗等镀前处理,然后置于表 1 的例 14 与例 79,镀液中电镀 Sn-Cu 合金镀层。镀有 2m 厚度镀镍层的 195铜制 DIP24 针引线架,通过上述相同的镀前处理以后置于表 1 的例 45镀液中电镀 Sn-Cu 合金镀层。镀层性能评估 为了评估从例 19 镀液中获得的 Sn-Cu 合金镀层的可焊性,把镀有Sn-Cu 合金镀层的引线架置于 150的热风炉中加热处理 168h,然后切取 5mm 长度的引线架外引线部分,作为可焊性评估用的试样。使用质量分数为 95.8%Sn、3.5%Ag 与 0.7%Cu 的 Sn-Ag-Cu 合金焊料,熔融以后恒温为 260的焊料槽。试样上涂布非活性松香焊剂以后浸渍于260的焊料槽中 10s,使用 Meniscsgraph 法测定零交时间。零交时间是从试样开始浸渍于熔融焊料槽以后,直至熔融焊料液的浮力与引力相同时的时间,这个时间越短,可焊性越好。试样取出以后,使用 40 倍的显微镜观测试样的焊料湿润外观状况,按照下列标准进行判定可焊性:优良,呈现焊料湿润面积为 100%的镜面外观。较差,焊料湿润面积低于 95%,高于 70%,有多数凹痕。除可评估镀层可焊性以外,还测定了镀层厚度,镀层中碳的质量分数与铜的质量分数,结果如表 2 所示。由表 2 可知,使用例 16 镀液电镀的引线架镀层均匀致密,没有模糊或者者烧焦等特殊现象。镀层中的碳质量分数低于0.3%,加热处理以后的零交时间很短,焊料湿润外观优良,说明 Sn-Cu 合金镀层的可焊性优良。与例 16 相比,从例 79 镀液中电镀的引线架镀层中的碳质量分数高于 0.3%,零交时间为例 16 平均值的 4 倍以上,焊料湿润外观较差,说明 Sn-Cu 合金镀层的可焊性较差。4 结论 含有可溶性锡盐与铜盐、有机酸、表面活性剂等构成的 Sn-Cu 合金镀液的特性如下:从镀液中能够获得均匀致密的 Sn-Cu 合金镀层,镀层没有雾状或者者烧焦等不良现象。Sn-Cu 合金镀层的碳质量分数低于 0.3%,长时间储存或者者加热处理以后特别是蒸汽老化以后仍然具有优良的可焊性。Sn-Cu 合金镀层能够取代含铅的 Sn-Pb 合金镀层,具有良好的环境效益、生产成本低、有可靠的焊接强度,特别适用于引线架、连接器、片状电阻与片状电容等电子部件的无铅焊料镀层表面精饰
