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合金鍍層具有優良的可焊性,已經廣泛地應用于電子工業領域中。但是Sn-Pb合金鍍層中含有污染環境的鉛,錫鍍層容易產生導致電路短路的晶須。隨著環境管理的加強和焊接品質的提高,人們希望使用無鉛焊料鍍層。現在已經開發了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合能力很強的絡合劑,鍍液管理復雜而困難,而且使用價格較高的銀,使得鍍層成本較高。2)鉍的質量分數為10%以上的Sn-Bi合金鍍層的熔點為130～160℃,難以確保電子部件之間的可靠焊接。3)由于Sn-In合金鍍層的熔點低于Sn-Pb合金鍍層的熔點,降低了焊接接合時的焊接強度,銦的價格也較貴。4)由于Sn-Zn合金鍍層容易氧化,因而難以在空氣中進行可靠的焊接。基于上述無鉛焊料鍍層存在的問題,人們開發了另外的Sn-Cu合金鍍層。Sn-Cu合金鍍層一般應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,平滑性和雜質都會影響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良。本文就加熱處理以后仍然具有優良可焊性的Sn-Cu合金鍍液和電鍍工藝加以敘述。

2工藝概述

研究發現,Sn-Cu合金鍍層中的雜質碳含量對鍍層可焊性有著重要的影響。電鍍以后的Sn-Cu合金鍍層中的雜質碳幾乎不會存在于鍍層表面上,因而不會影響鍍層的可焊性。但是如果在室溫下長期保存或者加熱處理以后,由于室溫下的擴散或者由于加熱引起的熱擴散,碳就會浮出到鍍層表面上,顯著地影響鍍層的可焊性。研究結果表明,Sn-Cu合金鍍層中的雜質碳的質量分數為0.3%以下時,可以顯著地提高鍍層的可焊性。研究結果還表明,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度或者250～300℃的焊接溫度,Sn-Cu合金鍍層中的銅質量分數為0.1%～2.5%,最好為0.5%～2.0%。如果銅質量分數低于0.1%,就容易發生錫的晶須而可能導致短路;如果銅質量分數高于2.5%,鍍層熔點就會超過300℃,難以進行良好焊接。

Sn-Cu合金鍍液中含有可溶性錫鹽和銅鹽、有機酸、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。它們可以單獨或者混合使用。以錫計的質量濃度為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。它們可以單獨或混合使用。以銅計的質量濃度為0.01～30g/L,最好為0.1～10g/L,在這一濃度范圍內可以獲得銅的質量分數為0.1%～2.5%且最好為0.5%～1.0%的Sn-Cu合金鍍層。

鍍液中加入有機酸旨在絡合鍍液中的錫鹽和銅鹽,并用作鍍液的導電性成分,提高鍍液的穩定性和導電性。適宜的有機酸有甲烷磺酸、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。它們可以單獨或者混合使用。有機酸質量濃度為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。它們可以單獨或者混合使用。非離子表面活性劑質量濃度為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錫離子氧化成四價錫離子,保持鍍液和合金鍍層組成的穩定性。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。它們可以單獨或者混合使用。防氧化劑質量濃度為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、富馬酸等有機羧酸作為鍍液穩定劑;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10～70℃,最好為20～50℃。陰極電流密度為0.1～100A/dm²,根據掛鍍、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,滾鍍時的陰極電流密度為0.5～4A/dm²,噴鍍時的陰極電流密度為30～60A/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,鍍層可焊性不會有進一步提高而不經濟。

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針引線架,經過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。

鍍層性能評估　為了評估從例1～9鍍液中獲得的Sn-Cu合金鍍層的可焊性,把鍍有Sn-Cu合金鍍層的引線架置于150℃的熱風爐中加熱處理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。采用質量分數為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法測定零交時間。零交時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的時間,這個時間越短,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狀況,按照下列標準進行判定可焊性:

◎—優良,呈現焊料濕潤面積為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,鍍層中碳的質量分數和銅的質量分數,結果如表2所示。

由表2可知,采用例1～6鍍液電鍍的引線架鍍層均勻致密,沒有模糊或者燒焦等異常現象。鍍層中的碳質量分數低于0.3%,加熱處理以后的零交時間很短,焊料濕潤外觀優良,表明Sn-Cu合金鍍層的可焊性優良。與例1～6相比,從例7～9鍍液中電鍍的引線架鍍層中的碳質量分數高于0.3%,零交時間為例1～6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結論

含有可溶性錫鹽和銅鹽、有機酸、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象。

Sn-Cu合金鍍層的碳質量分數低于0.3%,長時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,具有良好的環境效益、生產成本低、有可靠的焊接強度,特別適用于引線架、連接器、片狀電阻和片狀電容等電子部件的無鉛焊料鍍層表面精飾。

參考文獻

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