防止純錫鍍層變色的電鍍參數(shù)優(yōu)化

李紅雷，高國(guó)華

（南通富士通微電子股份有限公司，江蘇 南通 226006）

防止純錫鍍層變色的電鍍參數(shù)優(yōu)化

李紅雷，高國(guó)華

（南通富士通微電子股份有限公司，江蘇 南通 226006）

純錫電鍍工藝主要有錫晶須、鍍層變色等問(wèn)題，其中鍍層變色嚴(yán)重影響器件的可焊性。通過(guò)分析純錫電鍍各參數(shù)對(duì)鍍層變色的影響，設(shè)計(jì)了工藝參數(shù)的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，然后按照方案進(jìn)行樣品制作、評(píng)價(jià)和數(shù)據(jù)分析，得到能夠防止純錫鍍層變色的最優(yōu)參數(shù)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。經(jīng)驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為電流密度為12 A/dm2，電鍍溫度為55℃，電鍍液H+濃度為1.1 mol/L，電鍍液Sn2+濃度為65 g/L。研究成果提高了無(wú)鉛產(chǎn)品的可靠性，從而增強(qiáng)了產(chǎn)品在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)性。

純錫；無(wú)鉛；電鍍；鍍層變色；集成電路封裝

自歐盟RoHS實(shí)施以來(lái)，純錫電鍍工藝已經(jīng)發(fā)展愈加成熟，但是仍有一些問(wèn)題未能徹底解決，鍍層變色問(wèn)題就是其中之一。鍍層變色不僅影響外觀，而且會(huì)使鍍層的可焊性劣化，很多客戶不能接受。鍍層變色往往不是電鍍后立即發(fā)生的，而是在客戶處儲(chǔ)存一段時(shí)間以后才會(huì)發(fā)生。根據(jù)這個(gè)特性我們可以得到以下3點(diǎn)：1）由于無(wú)法復(fù)原當(dāng)時(shí)的電鍍狀況，異常原因較難調(diào)查；2）因?yàn)椴荒芗皶r(shí)發(fā)現(xiàn)，往往有較多的波及批；3）要求鍍層質(zhì)量要具有一定的耐久性。所以要從根本上解決鍍層變色的問(wèn)題。

1 分析影響鍍層變色的因素

根據(jù)郝利峰和鄭如定等人的研究成果，鍍層變色一般與鍍層的晶粒大小和孔隙大小有關(guān)。與錫鉛鍍層相比，純錫鍍層一般結(jié)晶較粗，結(jié)晶顆粒不規(guī)則性大，結(jié)晶缺陷等也較多。所以純錫鍍層的變色問(wèn)題就比錫鉛嚴(yán)重得多［1］。較大的孔隙不僅會(huì)造成電鍍液中的有機(jī)物難以清洗，而且會(huì)使得水汽更容易侵入。銅基體上的錫鍍層在大氣中是陽(yáng)極性鍍層，在潮濕的大氣環(huán)境中，錫鍍層表面水膜與銅基體及錫鍍層構(gòu)成腐蝕原電池，從而加速錫鍍層的腐蝕，發(fā)生變色等外觀現(xiàn)象［2］。因此，鍍錫層孔隙率與鍍層的防變色性能密切相關(guān)。

1.1 電流密度的影響

任何電鍍都必須有一個(gè)能產(chǎn)生正常鍍層的電流密度范圍。當(dāng)電流密度過(guò)低時(shí)，陰極極化作用較小，鍍層結(jié)晶粗大，甚至不能產(chǎn)生鍍層。隨著電流密度的增加，陰極極化作用隨著增加，鍍層晶粒越來(lái)越細(xì)。當(dāng)電流密度過(guò)高，超過(guò)極限電流密度時(shí)，鍍層質(zhì)量開(kāi)始惡化，甚至出現(xiàn)海綿體，枝晶狀，燒焦及發(fā)黑等。如圖1所示，不同的電流密度條件下，所得鍍層結(jié)晶晶粒分布是不同的。

1.2 溫度的影響

鍍液溫度的升高能擴(kuò)散加快，降低濃差極化。此外，升溫還能使離子的脫水過(guò)程加快。離子和陰極表面活性增強(qiáng)，也降低了電化學(xué)極化，導(dǎo)致結(jié)晶變粗。另一方面，溫度升高不僅能夠增加鹽類的溶解度，從而增加導(dǎo)電和分散能力。如圖2所示，不同溫度下的鍍層晶粒分布。

圖1 不同電流密度下的鍍層晶粒分布

1.3 鍍液中H+濃度的影響

鍍液中的pH值可以影響氫的放電電位，堿性?shī)A雜物的沉淀，還可以影響絡(luò)合物或水化物的組成以及添加劑的吸附程度。最佳的pH值往往要通過(guò)實(shí)驗(yàn)決定。在含有絡(luò)合劑離子的鍍液中，pH值可能影響存在的各種絡(luò)合物的平衡，因而必須根據(jù)濃度來(lái)考慮。電鍍過(guò)程中，若pH值增大，則陰極效率比陽(yáng)極效率高，pH值減少則反之。如圖3所示，不同H+濃度下的鍍層晶粒分布。

1.4 主鹽Sn2+濃度的影響

鍍液中主鹽濃度必須在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)選取。在其它條件不變時(shí)，主鹽濃度增加或減少，都會(huì)對(duì)電沉積過(guò)程及最后的鍍層組織有影響。如圖4所示，不同Sn2+濃度下的鍍層晶粒分布。

圖3 不同H+濃度下的鍍層晶粒分布

圖4 不同Sn2+濃度下的鍍層晶粒分布

1.5 添加劑的影響

由于添加劑的生產(chǎn)廠家眾多，且配方千差萬(wàn)別，所以添加劑對(duì)于鍍層變色的影響本文暫不做討論且本文所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)都是在特定的添加劑條件下得到的。

2 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案的確定

2.1 確定最佳電鍍工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)

對(duì)電流密度、電鍍溫度、電鍍液H+濃度和電鍍液Sn2+四個(gè)因子各選取3個(gè)參數(shù)（見(jiàn)表1），并用L9（34）正交表來(lái)安排實(shí)驗(yàn)。本組試驗(yàn)記為B，各實(shí)驗(yàn)序號(hào)及實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表2。說(shuō)明：為了后續(xù)表述方便，分別用X表示電流密度、Y表示電鍍溫度、Z表示電鍍液（H+）濃度、W表示電鍍液（Sn2+）濃度。舉例，X1則表示電流密度為12 A·dm-2。

表1 電鍍工藝參數(shù)因子及水平表

表2 電鍍工藝參數(shù)L9（34）正交表

2.2 樣品測(cè)試及實(shí)驗(yàn)加速方法

（1）掃描電子顯微鏡測(cè)試：主要用于實(shí)驗(yàn)中測(cè)試樣品表面形貌的檢測(cè)；

（2）蒸汽老化測(cè)試：主要用于加速純錫電鍍鍍層變色的速度，蒸汽老化的條件為，93±53℃，16.5 h；

（3）高溫烘烤測(cè)試：主要用于加速純錫電鍍鍍層變色的速度，高溫烘烤的條件為，150℃±5℃，16.5 h；

（3）紅外回流測(cè)試：主要用于加速純錫電鍍鍍層變色的速度，紅外回流使用最高溫度為260℃的溫度曲線。

3 工藝參數(shù)優(yōu)化方案的數(shù)據(jù)分析與結(jié)果

3.1 變色指數(shù)的定義

為了便于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)，我們定義了“變色指數(shù)”這個(gè)值。首先，我們將純錫鍍層變色的程度分為4個(gè)等級(jí)：未變色、輕微變色、一般變色和嚴(yán)重變色，并分別用數(shù)字定義為0、1、2、3，如表3所示。

表3 表示鍍層變色程度的數(shù)值意義

圖5 不同程度的變色圖片

本組實(shí)驗(yàn)每個(gè)條件所制作的300個(gè)樣品，我們做如下加速實(shí)驗(yàn)：100個(gè)進(jìn)行蒸汽老化實(shí)驗(yàn)，100個(gè)進(jìn)行高溫烘烤實(shí)驗(yàn)，100個(gè)進(jìn)行紅外回流實(shí)驗(yàn)。本組實(shí)驗(yàn)的觀察結(jié)果，我們可以得到2個(gè)數(shù)值，一個(gè)是代表不同變色程度的數(shù)值；另一個(gè)是3種加速實(shí)驗(yàn)后每種變色程度樣品的個(gè)數(shù)。根據(jù)以上2個(gè)數(shù)值，我們對(duì)變色指數(shù)定義為：

變色指數(shù)=0×未變色的樣品個(gè)數(shù)+1×輕微變色的樣品個(gè)數(shù)+2×一般變色的樣品個(gè)數(shù)+3×嚴(yán)重變色的樣品個(gè)數(shù)

式中：0、1、2、3所代表的意義參見(jiàn)表9。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

通過(guò)對(duì)3種加速實(shí)驗(yàn)后每個(gè)實(shí)驗(yàn)編號(hào)樣品的觀察和統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

根據(jù)表4的統(tǒng)計(jì)，并結(jié)合變色指數(shù)的定義，計(jì)算出每個(gè)條件下的變色指數(shù)的數(shù)據(jù)，變色指數(shù)如表5所示。

蒸汽老化實(shí)驗(yàn)、高溫烘烤實(shí)驗(yàn)和紅外回流實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，見(jiàn)表6、表7和表8。表中的Ki表示任一列上水平號(hào)為i時(shí)所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果之和，ki表示Ki除以各水平出現(xiàn)的次數(shù)，R表示在任一列上ki的極差。根據(jù)田口正交試驗(yàn)理論，R值越大則表示該列的因素對(duì)結(jié)果的影響程度越大，ki值越小則表示i水平的條件最優(yōu)。

表4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

表5 變色指數(shù)統(tǒng)計(jì)

表6 蒸汽老化實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析

表7 高溫烘烤實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析

表8 紅外回流實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析

3.3 電鍍工藝參數(shù)最優(yōu)方案驗(yàn)證

由于得到的最優(yōu)方案不在B組實(shí)驗(yàn)L9（34）正交方案中，所以這里增加1個(gè)實(shí)驗(yàn)，編號(hào)為B10。實(shí)驗(yàn)條件為本組實(shí)驗(yàn)的最優(yōu)方案X1Y3Z2W2，即電流密度：12 A/dm2，電鍍溫度：55℃，電鍍液H+濃度：1.1 mol/L，電鍍液Sn2+濃度65 g/L。該實(shí)驗(yàn)選用影響程度最大的加速實(shí)驗(yàn)條件：紅外回流加速實(shí)驗(yàn)。樣本數(shù)為100只。所得結(jié)果見(jiàn)表9，結(jié)果顯示沒(méi)有出現(xiàn)變色，表明本組實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果可信。

表9 最優(yōu)方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

對(duì)比三種加速實(shí)驗(yàn)條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到如下的結(jié)論：

（1）三種加速實(shí)驗(yàn)條件下所得的最優(yōu)方案是一致的，為X1Y3Z2W2，即電流密度：12 A/dm2，電鍍溫度：55℃，電鍍液H+濃度：1.1 mol/L，電鍍液Sn2+濃度65 g/L。

（2）三種加速實(shí)驗(yàn)條件下所得各因素的影響力基本一致，其中蒸汽老化和紅外回流條件下對(duì)鍍層變色影響的程度依次為電流密度、電鍍溫度、Sn2+濃度、H+濃度，高溫烘烤條件下對(duì)鍍層變色影響的程度依次為電流密度、Sn2+濃度、電鍍溫度、H+濃度。但是三種加速實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)鍍層變色影響力最強(qiáng)的因數(shù)為電流密度，影響力最弱的因數(shù)為H+濃度。

（3）三種加速實(shí)驗(yàn)方法對(duì)鍍層變色的影響程度也不同，其中紅外回流的影響力最大，高溫烘烤的影響最小。

［1］郝利峰，王明生.高速鍍錫工藝及其故障處理［J］.電鍍與精飾，2008，30（2）：21-23

［2］鄭如定.酸性鍍錫變色原因的初步探討［J］.材料保護(hù)，2000，33（4）：18.

Process Parameter Optimization to Prevent Pure Tin Plating Discoloration

LI Honglei，GAO Guohua
（Nantong Fujitsu Microelectronics Co.，Ltd，Nantong 226006，China）

Tin whisker，tin coating discoloration and other issues have influences on the pure tin plating process，in which，coating discoloration severely affect devices'solderability.The process and related parameters about pure tin electroplating were analyzed in this paper，the optimization program of process parameters were designed to make and evaluate experiments samples and analyze the data，and then the improvement measures were proposed to solve discoloration of pure tin plating，at last the results were verified.The conclusions were shown that The best plating process parameters were instructed that current density was 12 A/dm2，plating temperature was 55 oC，H+concentration was 1.1 mol/L，Sn2+concentration was 65 g/L.The achievements of this paper have been applied in electronics products，these lead-free products'reliability was improved，thereby their market competitiveness was enhanced.

Pure tin；Leadfree；Plating；Discoloration；IC packaging

TQ153

A

1004-4507（2015）12-0022-06

2015-10-10

李紅雷（1982-），男，江蘇南通人，碩士，工程師，畢業(yè)于東南大學(xué)集成電路學(xué)院，現(xiàn)就職于南通富士通微電子股份有限公司，主要從事集成電路封裝工藝研究。