S-C合金電鍍工藝及鍍層性能研究8(1)

1、Sn-Cu合金電鍍工藝及鍍層性能研究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,人們希望使用無鉛焊料鍍層?，F(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)了Sn-Ag合金、Sn-Bi合金、Sn-In合金和Sn-Zn合金等無鉛焊料鍍層,它們存在的問題有: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

2、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130160,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?；谏鲜鰺o鉛焊料鍍層存在的問題,人們開發(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

3、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。 

4、0;  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250300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

5、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5100g/L,最好為1060g/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0.0130g/L,最好為0.110g/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

6、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30500g/L,最好為100250g/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0.550g/L,最好為11

7、0g/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0.125g/L,最好為0.510g/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

8、者加入進(jìn)一步改善鍍液和鍍層性能的陽離子、陰離子,兩性等表面活性劑。    鍍液溫度為1070,最好為2050。陰極電流密度為0.1100A/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0.21A/dm2,滾鍍時(shí)的陰極電流密度為0.54A/dm2,噴鍍時(shí)的陰極電流密度為3060A/dm2。    電鍍陽極可以采用錫或者Sn-Cu合金等可溶性陽極或者鍍有鉑或者銠的鈦或者鉭等不溶性陽極。適宜于電鍍的有IC引線架、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130m。如果鍍層厚度低于

9、1m,鍍層的可焊性容易降低;如果鍍層厚度高于30m,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)引線架,依次經(jīng)過堿性脫脂、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14和例79,鍍液中電鍍Sn-Cu合金鍍層。鍍有2m厚度鍍鎳層的195銅制DIP24針引線架,經(jīng)過上述相同的鍍前處理以后置于表1的例45鍍液中電鍍Sn-Cu合金鍍層。    鍍層性能評估&#

10、160;   為了評估從例19鍍液中獲得的Sn-Cu合金鍍層的可焊性,把鍍有Sn-Cu合金鍍層的引線架置于150的熱風(fēng)爐中加熱處理168h,然后切取5mm長度的引線架外引線部分,作為可焊性評估用的試樣。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法測定零交時(shí)間。零交時(shí)間是從試樣開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倍的顯微鏡觀測試樣的焊料濕潤外觀

11、狀況,按照下列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判定可焊性:    優(yōu)良,呈現(xiàn)焊料濕潤面積為100%的鏡面外觀。    較差,焊料濕潤面積低于95%,高于70%,有多數(shù)凹痕。    除可評估鍍層可焊性以外,還測定了鍍層厚度,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16鍍液電鍍的引線架鍍層均勻致密,沒有模糊或者燒焦等異?，F(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,焊料濕潤外觀優(yōu)良,表明Sn-Cu合金鍍層的可焊性優(yōu)良。與例16相比,從例79鍍液中電鍍的引線架鍍層中的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.3%,零交時(shí)間為例16平均值的4倍以上,焊料濕潤外觀較差,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,鍍層沒有霧狀或者燒焦等不良現(xiàn)象