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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130～160℃,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250～300℃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。它们能够单独或混合使用。以铜计质量浓度为0.01～30g/L,最好为0.1～10g/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30～500g/L,最好为100～250g/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0.5～50g/L,最好为1～10g/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0.1～25g/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10～70℃,最好为20～50℃。阴极电流密度为0.1～100A/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0.2～1A/dm2,滚镀时阴极电流密度为0.5～4A/dm2,喷镀时阴极电流密度为30～60A/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