化學(xué)鍍錫的工藝及沉積機(jī)理初探

陳家偉++張曉龍++李浩南

摘 要：本文從理論上系統(tǒng)地分析了酸性氯化物化學(xué)鍍錫的沉積機(jī)理，同時(shí)闡述了還原劑法化學(xué)鍍錫和岐化反應(yīng)法化學(xué)鍍錫過程的基本原理。

關(guān)鍵詞：化學(xué)鍍錫；沉積機(jī)理；工藝

一、鍍錫

錫是一種銀白色的金屬，無毒，具有良好的焊接性和延展性。廣泛地應(yīng)用于電子、食品、汽車等工業(yè)。鍍錫是在工件表面均勻的涂上一層可焊性良好并具有一定耐蝕能力的涂層，電子元件、印制線路板中廣泛應(yīng)用。

二、化學(xué)鍍錫工藝

化學(xué)鍍錫工藝以鍍液的PH值分類，分為酸性鍍液工藝和堿性鍍錫工藝兩大類。

（一） 酸性鍍液工藝

酸性鍍錫的優(yōu)點(diǎn)是鍍速快。鍍層光亮細(xì)致，深鍍能力好。鍍液對雜質(zhì)容忍力強(qiáng)，室溫操作節(jié)省能源。缺點(diǎn)是鍍液的分散能力較差，鍍層孔隙率較高。

酸性鍍錫中因?qū)щ娊橘|(zhì)不同又分為硫酸鹽鍍錫、氟硼酸鹽鍍錫、氯化物鍍錫等工藝。硫酸鍍錫成本低，鍍液易于控制，鍍層光亮細(xì)致，但分散能力較差。市場應(yīng)用最為廣泛。氟硼酸鹽鍍錫的優(yōu)點(diǎn)是鍍速快，可使用較大電流，鍍液穩(wěn)定性好。廣泛用于線材、帶材的連續(xù)性電鍍。缺點(diǎn)是鍍液成本高，毒性大，廢水處理困難。氯化物鍍錫主要在晶紋鍍錫，優(yōu)點(diǎn)是成本較低，鍍液穩(wěn)定，鍍層潔白。缺點(diǎn)是電流開不大。

（二）堿性鍍錫工藝

堿性鍍錫的優(yōu)點(diǎn)是：成分簡單，鍍液分散能力好，鍍層細(xì)致，孔隙少，釬焊性能好。缺點(diǎn)是：操作溫度高，能耗大，電流使用范圍窄，電流效率低，不能獲得光亮鍍層，鍍層硬鍍小，陽極行為影響大。

堿性鍍錫因所用絡(luò)合劑不同又分為錫酸鹽鍍錫和焦磷酸鹽鍍錫兩種。錫酸鹽鍍錫成分簡單，主鹽采用錫酸鈉，也有使用錫酸鉀的。后者的溶解度較大，可以使用較大的電流密度，生產(chǎn)效率高，但成本較高。絡(luò)合劑采用氫氧化鈉（或氫氧化鉀）。這種工藝所獲得的鍍層是潔白不光亮的。市場上慢慢地被酸性光亮鍍錫所取代。焦磷酸鹽鍍錫因成本高使用上受到限制。但它的PH值呈弱堿性，適合在鋁合金件和鋅合金件上電鍍。

三、化學(xué)鍍錫的沉積機(jī)理

化學(xué)鍍錫是在酸性環(huán)境下，溶液中的亞錫離子在還原劑的作用下在催化活性表面上的沉積過程，是無電解反應(yīng)。一般的化學(xué)鍍方法專指用還原劑施鍍，不包括浸鍍和接觸鍍。通過相關(guān)文獻(xiàn)，一般認(rèn)為化學(xué)鍍錫工藝經(jīng)歷三個(gè)歷程：1.置換階段；2.金屬間化合物形成階段；3.自催化沉積階段；化學(xué)反應(yīng)初級階段金屬的沉積期為錫與銅的置換反應(yīng)期。但這個(gè)置換反應(yīng)過程：Sn2++Cu→Sn↓+Cu2+

由于其銅的電位E0（Cu2+/Cu）=0.34V比錫E0（Sn2+/Sn） = -0.14V正，根據(jù)熱力學(xué)原理分析，從銅上直接置換出鍍液中的錫是根本不可能的。要實(shí)現(xiàn)此過程必須加入相應(yīng)的銅離子絡(luò)合劑或電位調(diào)整劑，與銅離子形成穩(wěn)定的絡(luò)合物后使銅的電位大幅度負(fù)移。選用特定的絡(luò)合劑后，使銅、錫的電位發(fā)生了變化，鍍液中絡(luò)合劑的濃度達(dá)到一定值時(shí)，銅的電位開始低于錫的電位，使初期的銅錫置換反應(yīng)得以發(fā)生：

Cu2+ +絡(luò)合劑→ [Cu（配位體）]2+

Sn2++Cu→Sn↓+Cu2+[配位體]

由于置換反應(yīng)式與基體表面發(fā)生的，因而反應(yīng)生成的鍍層厚度很薄，并且當(dāng)提提表面完全生產(chǎn)一層錫之后，該反應(yīng)就會立即停止。與此同時(shí)，在置換錫層表面，溶液中的還原劑與錫離子配位體在固/液相界面會發(fā)生一些列的氧化一還原反應(yīng)，使錫的連續(xù)自催化沉積得以順利進(jìn)行。隨著反應(yīng)的繼續(xù)，鍍層的厚度不斷增加，體系中的銅錫合金相相應(yīng)的逐漸減小，得到連續(xù)的錫沉積層，直到反應(yīng)中活性物質(zhì)完全消耗，反應(yīng)才會終止。

四、化學(xué)鍍錫存在的問題及解決方法

盡管化學(xué)鍍錫優(yōu)異的性能使其在印刷線路板等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。但是對化學(xué)鍍錫工藝的研究剛剛開始，其發(fā)展水平總體還處于基礎(chǔ)研究階段，還存在一些問題，例如，化學(xué)鍍錫沉積速率慢。鍍層里較薄，目前人不能滿足人們對其釬焊性能或耐腐蝕性能要求；而且錫層表面存在發(fā)灰，發(fā)黑等現(xiàn)象，使其應(yīng)用受到限制，因此，體高鍍錫層厚度，并使鍍層表面光潔平整，對于擴(kuò)展化學(xué)鍍錫的應(yīng)用領(lǐng)域有著重要的理論和實(shí)際價(jià)值。

五、化學(xué)鍍錫添加劑理論

化學(xué)鍍錫是通過體系鍍液中的還原劑提供電子，從而使被鍍金屬離子還原為金屬的過程。由于還原劑與金屬離子同時(shí)存在于溶液中，如果沒有一定的控制，該氧化一還原體系反應(yīng)發(fā)生迅速，且得到的鍍層呈現(xiàn)粉末狀的沉積物，不具備鍍層的利用價(jià)值，因此化學(xué)鍍錫液需要一些特定的添加劑等來控制沉積速度和改變鍍層質(zhì)量。

化學(xué)鍍錫中所用的添加劑也含有電鍍錫添加劑的三種必要成分，包括穩(wěn)定劑、分散劑、促進(jìn)劑和光亮劑等。研究表明自催化反應(yīng)速率如果較快時(shí)，形成的晶核質(zhì)量就差，相應(yīng)的鍍層就會出現(xiàn)粗糙或粉末鍍層，加入了對應(yīng)的穩(wěn)定劑之后，一方面可以抑制鍍液的自分解作用；另一方面還可以控制反應(yīng)的進(jìn)行速率，有利于到優(yōu)良鍍層。常用的穩(wěn)定劑有：一些含硫的無機(jī)物或有機(jī)物，如硫代硫酸鹽、硫脈及其衍生物；重金屬離子；不飽和脂肪酸如馬來酸、烷基磺酸鹽等；酚類。穩(wěn)定劑吸附在電極表面從而阻滯金屬離子的還原過程，來得到致密的結(jié)晶鍍層。相應(yīng)的，有時(shí)候鍍液的反應(yīng)速度很慢，這時(shí)候就需要在體系中加入一定量的促進(jìn)劑來提高鍍速，以減少滿足鍍層厚度要求所需的時(shí)間。如常用的氨基乙酸，除了能起到絡(luò)合劑的作用，還能加速鍍液反應(yīng)，短鏈的飽和脂肪酸液也有促進(jìn)劑的作用。

錫合金鍍層是可焊性良好并具有一定耐腐蝕性的鍍層，易可焊，化學(xué)穩(wěn)定性極高，抗氧化能力強(qiáng)，鍍層按用途可分為功能性。裝飾性及，防護(hù)性三類錫基合金鍍層，在電子，國防，機(jī)械，食品工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。