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Sn-Cu合金电镀工艺及镀层性能研究1 序言 电子部件上往往要镀覆可焊性镀层,以确保良好焊接。Sn和Sn-Pb合金镀层含有优良可焊性,已经广泛地应用于电子工业领域中。不过Sn-Pb合金镀层中含有污染环境铅,锡镀层轻易产生造成电路短路晶须。 伴随环境管理加强和焊接品质提升,大家期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合金和Sn-Zn合金等无铅焊料镀层,它们存在问题有: 1)取得Sn-Ag合金镀层镀液中含有络合能力很强络合剂,镀液管理复杂而困难,而且使用价格较高银,使得镀层成本较高。2)铋质量分数为10%以上Sn-Bi合金镀层熔点为130160,难以确保电子部件之间可靠焊接。3)因为Sn-In合金镀层熔点低于Sn-Pb合金镀层熔点,降低了焊接接合时焊接强度,铟价格也较贵。4)因为Sn-Zn合金镀层轻易氧化,所以难以在空气中进行可靠焊接。基于上述无铅焊料镀层存在问题,大家开发了另外Sn-Cu合金镀层。Sn-Cu合金镀层通常应用于装饰性镀层或作为Ni镀层代用镀层,它镀层组成,晶粒尺寸,平滑性和杂质全部会影响Sn-Cu合金镀层可焊性。 另外,为了确保焊接可靠性,要求像Sn-Pb合金镀层那样,加热处理以后可焊性和镀层外观仍然优良。本文就加热处理以后仍然含有优良可焊性Sn-Cu合金镀液和电镀工艺加以叙述。2 工艺概述 研究发觉,Sn-Cu合金镀层中杂质碳含量对镀层可焊性有着关键影响。电镀以后Sn-Cu合金镀层中杂质碳几乎不会存在于镀层表面上,所以不会影响镀层可焊性。不过假如在室温下长久保留或加热处理以后,因为室温下扩散或因为加热引发烧扩散,碳就会浮出到镀层表面上,显著地影响镀层可焊性。 研究结果表明,Sn-Cu合金镀层中杂质碳质量分数为0.3%以下时,能够显著地提升镀层可焊性。 研究结果还表明,假如以Sn-Cu合金镀层替换Sn-Pb合金镀层,考虑到电子部件之间焊接强度或250300焊接温度,Sn-Cu合金镀层中铜质量分数为0.1%2.5%,最好为0.5%2.0%。假如铜质量分数低于0.1%,就轻易发生锡晶须而可能造成短路;假如铜质量分数高于2.5%,镀层熔点就会超出300,难以进行良好焊接。 Sn-Cu合金镀液中含有可溶性锡盐和铜盐、有机酸、表面活性剂和防氧化剂等组成。 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和羟基甲烷磺酸锡、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。它们能够单独或混合使用。以锡计质量浓度为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和羟基甲烷磺酸铜、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。它们能够单独或混合使用。以铜计质量浓度为0.0130g/L,最好为0.110g/L,在这一浓度范围内能够取得铜质量分数为0.1%2.5%且最好为0.5%1.0%Sn-Cu合金镀层。 镀液中加入有机酸意在络合镀液中锡盐和铜盐,并用作镀液导电性成份,提升镀液稳定性和导电性。适宜有机酸有甲烷磺酸、乙烷磺酸、丙烷磺酸、2-丙烷磺酸等烷基磺酸和羟基甲烷磺酸、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意在改善镀液性能,有利于取得平滑Sn-Cu合金镀层。适宜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意在预防镀液中二价锡离子氧化成四价锡离子,保持镀液和合金镀层组成稳定性。适宜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定剂;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;或加入深入改善镀液和镀层性能阳离子、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,依据挂镀、滚镀和喷镀等电镀方法采取不一样阴极电流密度,比如挂镀阴极电流密度为0.21A/dm2,滚镀时阴极电流密度为0.54A/dm2,喷镀时阴极电流密度为3060A/dm2。 电镀阳极能够采取锡或Sn-Cu合金等可溶性阳极或镀有铂或铑钛或钽等不溶性阳极。适宜于电镀有IC引线架、连接器、片状电容或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,镀层可焊性轻易降低;假如镀层厚度高于30m,镀层可焊性不会有深入提升而不经济。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,依次经过碱性脱脂、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例14和例79,镀液中电镀Sn-Cu合金镀层。镀有2m厚度镀镍层195铜制DIP24针引线架,经过上述相同镀前处理以后置于表1例45镀液中电镀Sn-Cu合金镀层。 镀层性能评定 为了评定从例19镀液中取得Sn-Cu合金镀层可焊性,把镀有Sn-Cu合金镀层引线架置于150热风炉中加热处理168h,然后切取5mm长度引线架外引线部分,作为可焊性评定用试样。采取质量分数为95.8%Sn、3.5%Ag和0.7%CuSn-Ag-Cu合金焊料,熔融以后恒温为260焊料槽。试样上涂布非活性松香焊剂以后浸渍于260焊料槽中10s,采取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,直至熔融焊料液浮力和引力相同时时间,这个时间越短,可焊性越好。试样取出以后,采取40倍显微镜观察试样焊料湿润外观情况,根据下列标准进行判定可焊性: 优良,展现焊料湿润面积为100%镜面外观。 较差,焊料湿润面积低于95%,高于70%,有多数凹痕。 除可评定镀层可焊性以外,还测定了镀层厚度,镀层中碳质量分数和铜质量分数,结果如表2所表示。 由表2可知,采取例16镀液电镀引线架镀层均匀致密,没有模糊或烧焦等异常现象。镀层中碳质量分数低于0.3%,加热处理以后零交时间很短,焊料湿润外观优良,表明Sn-Cu合金镀层可焊性优良。和例16相比,从例79镀液中电镀引线架镀层中碳质量分数高于0.3%,零交时间为例16平均值4倍以上,焊料湿润外观较差,表明Sn-Cu合金镀层可焊性较差。4 结论 含有可溶性锡盐和铜盐、有机酸、表面活性剂等组成Sn-Cu合金镀液特征以下: 从镀液中能够取得均匀致密Sn-Cu合金镀层,镀层没有雾状或烧焦等不良现象。 Sn-Cu合金镀层碳质量分数低于0.3%,长时间保留或加热处理以后尤其是蒸汽老化以后仍然含有优良可焊性。 Sn-Cu合金镀层能够替换含铅Sn-Pb合金镀层,含有良好环境效益、生产成本低、有可靠焊接强度,尤其适适用于引线架、连接器、片状电阻和片状电容等电子部件无铅焊料镀层表面精饰