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1、Sn-Cu合金电镀工艺及镀层性能研究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和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和焊接品质的提高,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合金和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1
2、0%以上的Sn-Bi合金镀层的熔点为130～160℃,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合金镀层一般应用于装饰性镀层或者作为Ni镀层的代用镀层,它的镀层组成,晶粒尺寸,平滑性和杂质都会影响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和镀层外观仍然优
3、良。本文就加热处理以后仍然具有优良可焊性的Sn-Cu合金镀液和电镀工艺加以叙述。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会存在于镀层表面上,因而不会影响镀层的可焊性。但是如果在室温下长期保存或者加热处理以后,由于室温下的扩散或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。 研究结果表明,Sn-Cu合金镀层中的杂质碳的质量分数为0.3%以下时,可以显著地提高镀层的可焊性。 研究结果还表明,如果以Sn-Cu合金镀层取代Sn-Pb合金镀层,考
4、虑到电子部件之间的焊接强度或者250～300℃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%。如果铜质量分数低于0.1%,就容易发生锡的晶须而可能导致短路;如果铜质量分数高于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。它们可以单独或者混合使用。以锡计的质量
5、浓度为5～100g/L,最好为10～60g/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。它们可以单独或混合使用。以铜计的质量浓度为0.01～30g/L,最好为0.1～10g/L,在这一浓度范围内可以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和铜盐,并用作镀液的导电性成分,提高镀液的稳定性和导电性。适宜的有机酸有甲烷磺酸、乙烷磺酸、丙烷磺酸、2-丙烷磺
6、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。它们可以单独或者混合使用。有机酸质量浓度为30～500g/L,最好为100～250g/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。它们可以单独或者混合使用。非离子表面活性剂质量浓度为0.5～50g/L,最好为1～10g/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,保持镀液和合金镀层组成的稳定
7、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。它们可以单独或者混合使用。防氧化剂质量浓度为0.1～25g/L,最好为0.5～10g/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;或者加入进一步改善镀液和镀层性能的阳离子、阴离子,两性等表面活性剂。 镀液温度为10～70℃,最好为20～50℃。阴极电流密度为
8、0.1～100A/dm2,根据挂镀、滚镀和喷镀等电镀
