Sn-Cu合金電鍍

1前言

電子部件上往往要鍍覆可焊性鍍層,以確保良好焊接。Sn和Sn-Pb合金鍍層具有優(yōu)良的可焊性,已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于電子工業(yè)領(lǐng)域中。但是Sn-Pb合金鍍層中含有污染環(huán)境的鉛,錫鍍層容易產(chǎn)生導(dǎo)致電路短路的晶須。隨著環(huán)境管理的加強(qiáng)和焊接品質(zhì)的提高,人們希望使用無(wú)鉛焊料鍍層。現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)發(fā)了Sn-Ag合金、Sn-Bi合金、Sn-In合金和Sn-Zn合金等無(wú)鉛焊料鍍層,它們存在的問(wèn)題有:1)獲得Sn-Ag合金鍍層的鍍液中含有絡(luò)合能力很強(qiáng)的絡(luò)合劑,鍍液管理復(fù)雜而困難,而且使用價(jià)格較高的銀,使得鍍層成本較高。2)鉍的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%以上的Sn-Bi合金鍍層的熔點(diǎn)為130～160℃,難以確保電子部件之間的可靠焊接。3)由于Sn-In合金鍍層的熔點(diǎn)低于Sn-Pb合金鍍層的熔點(diǎn),降低了焊接接合時(shí)的焊接強(qiáng)度,銦的價(jià)格也較貴。4)由于Sn-Zn合金鍍層容易氧化,因而難以在空氣中進(jìn)行可靠的焊接。基于上述無(wú)鉛焊料鍍層存在的問(wèn)題,人們開(kāi)發(fā)了另外的Sn-Cu合金鍍層。Sn-Cu合金鍍層一般應(yīng)用于裝飾性鍍層或者作為Ni鍍層的代用鍍層,它的鍍層組成,晶粒尺寸,平滑性和雜質(zhì)都會(huì)影響Sn-Cu合金鍍層的可焊性。此外,為了確保焊接可靠性,要求像Sn-Pb合金鍍層那樣,加熱處理以后的可焊性和鍍層外觀仍然優(yōu)良。本文就加熱處理以后仍然具有優(yōu)良可焊性的Sn-Cu合金鍍液和電鍍工藝加以敘述。

2工藝概述

研究發(fā)現(xiàn),Sn-Cu合金鍍層中的雜質(zhì)碳含量對(duì)鍍層可焊性有著重要的影響。電鍍以后的Sn-Cu合金鍍層中的雜質(zhì)碳幾乎不會(huì)存在于鍍層表面上,因而不會(huì)影響鍍層的可焊性。但是如果在室溫下長(zhǎng)期保存或者加熱處理以后,由于室溫下的擴(kuò)散或者由于加熱引起的熱擴(kuò)散,碳就會(huì)浮出到鍍層表面上,顯著地影響鍍層的可焊性。研究結(jié)果表明,Sn-Cu合金鍍層中的雜質(zhì)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%以下時(shí),可以顯著地提高鍍層的可焊性。研究結(jié)果還表明,如果以Sn-Cu合金鍍層取代Sn-Pb合金鍍層,考慮到電子部件之間的焊接強(qiáng)度或者250～300℃的焊接溫度,Sn-Cu合金鍍層中的銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%～2.5%,最好為0.5%～2.0%。如果銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.1%,就容易發(fā)生錫的晶須而可能導(dǎo)致短路;如果銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于2.5%,鍍層熔點(diǎn)就會(huì)超過(guò)300℃,難以進(jìn)行良好焊接。

Sn-Cu合金鍍液中含有可溶性錫鹽和銅鹽、有機(jī)酸、表面活性劑和防氧化劑等組成。

可溶性錫鹽有甲烷磺酸錫、乙烷磺酸錫、丙烷磺酸錫、2-丙烷磺酸錫等烷基磺酸錫鹽和羥基甲烷磺酸錫、2-羥基乙基-1-磺酸錫、2-羥基丁基-1-磺酸錫鹽等烷醇基磺酸錫鹽。它們可以單獨(dú)或者混合使用。以錫計(jì)的質(zhì)量濃度為5～100g/L,最好為10～60g/L。

可溶性銅鹽有甲烷磺酸銅、乙烷磺酸銅、丙烷磺酸銅、2-丙烷磺酸銅等烷基磺酸銅鹽和羥基甲烷磺酸銅、2-羥基乙基-1-磺酸銅、2-羥基丁基-1-磺酸銅等烷醇基磺酸銅鹽。它們可以單獨(dú)或混合使用。以銅計(jì)的質(zhì)量濃度為0.01～30g/L,最好為0.1～10g/L,在這一濃度范圍內(nèi)可以獲得銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%～2.5%且最好為0.5%～1.0%的Sn-Cu合金鍍層。

鍍液中加入有機(jī)酸旨在絡(luò)合鍍液中的錫鹽和銅鹽,并用作鍍液的導(dǎo)電性成分,提高鍍液的穩(wěn)定性和導(dǎo)電性。適宜的有機(jī)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羥基甲烷磺酸、2-羥基乙基-1-磺酸、2-羥基丁基-1-磺酸等烷醇基磺酸。它們可以單獨(dú)或者混合使用。有機(jī)酸質(zhì)量濃度為30～500g/L,最好為100～250g/L。

鍍液中加入非離子表面活性劑旨在改善鍍液性能,有利于獲得平滑的Sn-Cu合金鍍層。適宜的非離子表面活性劑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、聚乙烯亞胺等。它們可以單獨(dú)或者混合使用。非離子表面活性劑質(zhì)量濃度為0.5～50g/L,最好為1～10g/L。

鍍液中加入防氧化劑旨在防止鍍液中的二價(jià)錫離子氧化成四價(jià)錫離子,保持鍍液和合金鍍層組成的穩(wěn)定性。適宜的防氧化劑有抗壞血酸及其Na⁺、K⁺等堿金屬鹽、鄰苯二酚、間苯二酚、對(duì)苯二酚、甲酚磺酸及其Na⁺、K⁺等堿金屬鹽,苯酚磺酸及其Na⁺、K⁺等堿金屬鹽,連苯三酚,均苯三酸等。它們可以單獨(dú)或者混合使用。防氧化劑質(zhì)量濃度為0.1～25g/L,最好為0.5～10g/L。

鍍液中還加入了葡萄糖酸、酒石酸、富馬酸等有機(jī)羧酸作為鍍液穩(wěn)定劑;加入了苯甲酰丙酮、戊二醛、苯醛、鄰氯苯醛、1-萘醛、三聚乙醛、2-巰基苯并噻唑等作為光亮劑;或者加入進(jìn)一步改善鍍液和鍍層性能的陽(yáng)離子、陰離子,兩性等表面活性劑。

鍍液溫度為10～70℃,最好為20～50℃。陰極電流密度為0.1～100A/dm²,根據(jù)掛鍍、滾鍍和噴鍍等電鍍方式采用不同的陰極電流密度,例如掛鍍的陰極電流密度為0.2～1A/dm²,滾鍍時(shí)的陰極電流密度為0.5～4A/dm²,噴鍍時(shí)的陰極電流密度為30～60A/dm²。電鍍陽(yáng)極可以采用錫或者Sn-Cu合金等可溶性陽(yáng)極或者鍍有鉑或者銠的鈦或者鉭等不溶性陽(yáng)極。適宜于電鍍的有IC引線(xiàn)架、連接器、片狀電容或片狀電阻等電子部件。Sn-Cu合金鍍層厚度為1～30μm。如果鍍層厚度低于1μm,鍍層的可焊性容易降低;如果鍍層厚度高于30μm,鍍層可焊性不會(huì)有進(jìn)一步提高而不經(jīng)濟(jì)。

3　鍍液配方

Fe-Ni合金(58% Fe,42%Ni)制雙列直插式封裝(D IP, Dual Inline Package)24針(厚度0.25mm)引線(xiàn)架,依次經(jīng)過(guò)堿性脫脂、水洗、堿性電解脫脂、水洗、10%H₂SO₄浸漬、水洗等鍍前處理,然后置于表1的例1～4和例7～9,鍍液中電鍍Sn-Cu合金鍍層。鍍有2μm厚度鍍鎳層的195銅制DIP24針引線(xiàn)架,經(jīng)過(guò)上述相同的鍍前處理以后置于表1的例4~5鍍液中電鍍Sn-Cu合金鍍層。

鍍層性能評(píng)估　為了評(píng)估從例1～9鍍液中獲得的Sn-Cu合金鍍層的可焊性,把鍍有Sn-Cu合金鍍層的引線(xiàn)架置于150℃的熱風(fēng)爐中加熱處理168h,然后切取5mm長(zhǎng)度的引線(xiàn)架外引線(xiàn)部分,作為可焊性評(píng)估用的試樣。采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95.8%Sn、3.5%Ag和0.7%Cu的Sn-Ag-Cu合金焊料,熔融以后恒溫為260℃的焊料槽。試樣上涂布非活性松香焊劑以后浸漬于260℃的焊料槽中10s,采用Meniscsgraph法測(cè)定零交時(shí)間。零交時(shí)間是從試樣開(kāi)始浸漬于熔融焊料槽以后,直至熔融焊料液的浮力和引力相同時(shí)的時(shí)間,這個(gè)時(shí)間越短,可焊性越好。試樣取出以后,采用40倍的顯微鏡觀測(cè)試樣的焊料濕潤(rùn)外觀狀況,按照下列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判定可焊性:

◎—優(yōu)良,呈現(xiàn)焊料濕潤(rùn)面積為100%的鏡面外觀。

△—較差,焊料濕潤(rùn)面積低于95%,高于70%,有多數(shù)凹痕。

除可評(píng)估鍍層可焊性以外,還測(cè)定了鍍層厚度,鍍層中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和銅的質(zhì)量分?jǐn)?shù),結(jié)果如表2所示。

由表2可知,采用例1～6鍍液電鍍的引線(xiàn)架鍍層均勻致密,沒(méi)有模糊或者燒焦等異常現(xiàn)象。鍍層中的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.3%,加熱處理以后的零交時(shí)間很短,焊料濕潤(rùn)外觀優(yōu)良,表明Sn-Cu合金鍍層的可焊性?xún)?yōu)良。與例1～6相比,從例7～9鍍液中電鍍的引線(xiàn)架鍍層中的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.3%,零交時(shí)間為例1～6平均值的4倍以上,焊料濕潤(rùn)外觀較差,表明Sn-Cu合金鍍層的可焊性較差。

4結(jié)論

含有可溶性錫鹽和銅鹽、有機(jī)酸、表面活性劑等組成的Sn-Cu合金鍍液的特性如下:

從鍍液中可以獲得均勻致密的Sn-Cu合金鍍層,鍍層沒(méi)有霧狀或者燒焦等不良現(xiàn)象。

Sn-Cu合金鍍層的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.3%,長(zhǎng)時(shí)間保存或者加熱處理以后尤其是蒸汽老化以后仍然具有優(yōu)良的可焊性。

Sn-Cu合金鍍層可以取代含鉛的Sn-Pb合金鍍層,具有良好的環(huán)境效益、生產(chǎn)成本低、有可靠的焊接強(qiáng)度,特別適用于引線(xiàn)架、連接器、片狀電阻和片狀電容等電子部件的無(wú)鉛焊料鍍層表面精飾。

參考文獻(xiàn)

[1]加藤保夫.錫-銅合金電鍍的電子部品[P].日本專(zhuān)利:特開(kāi)2001-40498,2001-02-13.