集成電路純錫電鍍錫渣錫片問題探討

王鋒博，武愛麗，劉紅波

（天水華天科技股份有限公司，甘肅 天水 741000）

集成電路純錫電鍍錫渣錫片問題探討

王鋒博，武愛麗，劉紅波

（天水華天科技股份有限公司，甘肅 天水 741000）

純錫電鍍過程中產(chǎn)品產(chǎn)生的錫片、錫渣是經(jīng)常會(huì)遇到的問題，由于錫片、錫渣的產(chǎn)生是隨機(jī)的且體積較小、外觀顏色和鍍層相近，因此生產(chǎn)過程中較難發(fā)現(xiàn)；同時(shí)錫片和錫渣的存在會(huì)造成產(chǎn)品的短路和電性能不良，使用過程中會(huì)造成電路燒壞和功能不穩(wěn)定等問題；結(jié)合理論及實(shí)際生產(chǎn)過程分別對(duì)純錫電鍍過程中的錫片和錫渣產(chǎn)生的原因進(jìn)行了討論，并針對(duì)其原因從硬件升級(jí)和過程控制兩個(gè)方面對(duì)錫片、錫渣問題的解決提出了改善建議。

鈍化；錫渣；電鍍

錫是銀白色金屬，無毒、延展性和可焊性好，因而錫鍍層經(jīng)常被鍍覆在半導(dǎo)體引線腳的表層用以保證焊接的功能性鍍層。無鉛純錫電鍍由于具有成本低、兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，因此成為絕大多數(shù)封裝企業(yè)無鉛化鍍層的首選，隨著歐盟WEEE和 RoHS指令的頒布和實(shí)施，在過去的幾年中無鉛純錫電鍍已在封裝行業(yè)中被廣泛使用。但是，經(jīng)過近些年的實(shí)踐應(yīng)用表明，在純錫電鍍中還存在著許多問題需要解決［1］。由于封裝行業(yè)對(duì)鍍層質(zhì)量的要求越來越高，所以純錫鍍層的質(zhì)量成了封裝

1　錫渣產(chǎn)生的原因及改善措施

1.1鍍液中導(dǎo)電雜質(zhì)污染

由于電鍍?cè)O(shè)備中一些硬件的設(shè)計(jì)不合理，在生產(chǎn)過程中會(huì)造成一些導(dǎo)電性的顆粒雜質(zhì)掉入鍍液中，形成微小的導(dǎo)電顆粒，這些顆粒粘附到產(chǎn)品上進(jìn)一步電鍍就會(huì)形成細(xì)小的錫渣，具體如圖1所示。錫渣產(chǎn)生的原因及改善措施具體有以下幾種情況。

圖1　管腳上粘附有錫渣

1.1.1陽極袋將鈦籃包裹不嚴(yán)

在實(shí)際生產(chǎn)中由于陽極袋的設(shè)計(jì)不合理，存在陽極袋將鈦籃包裹不嚴(yán)或陽極袋在使用過程中滑落無法將鈦籃完全包裹的現(xiàn)象，導(dǎo)致陽極雜質(zhì)容易掉入鍍槽中形成導(dǎo)電雜質(zhì)，電鍍后形成錫渣，如圖2所示。

對(duì)于這種原因造成的錫渣通過對(duì)陽極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可以避免，一方面要把陽極袋的高度要比鈦籃高出1 cm以上，另一方面要保證陽極袋在使用過程中不滑落，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的陽極袋如圖3所示。

圖2　陽極袋將鈦籃包裹不嚴(yán)

圖3　結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的陽極袋

1.1.2電鍍槽循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理

電鍍液在生產(chǎn)過程中隨著使用時(shí)間的逐漸延長會(huì)在儲(chǔ)液槽底部或流程槽的底部沉積一定量的沉積物，在這些沉積物中會(huì)夾雜一些導(dǎo)電的雜質(zhì)，如果這些雜質(zhì)被攪起懸浮于鍍液中就有可能粘附到產(chǎn)品上形成錫渣。對(duì)于電鍍線設(shè)備而言，鍍槽的循環(huán)管道設(shè)計(jì)不合理，如圖4所示，回流管道的出口被設(shè)計(jì)到了循環(huán)泵的附近，那么在藥水回流時(shí)會(huì)在泵的入口處沖擊形成大量氣泡，同時(shí)底部的沉積物會(huì)被沖起，氣泡表面會(huì)吸附攜帶一些導(dǎo)電的雜質(zhì)吸入泵中，并進(jìn)入電鍍工作槽懸浮在鍍液中，電鍍時(shí)形成錫渣。

圖4　電鍍槽循環(huán)系統(tǒng)示意圖圖

如圖5所示，對(duì)于這種原因造成的錫渣要求在電鍍線設(shè)計(jì)時(shí)將回流管的位置盡量遠(yuǎn)離上液泵的位置，同時(shí)在回流管和上液泵之間增加隔離板將回流管和泵的吸水口隔開，防止回流時(shí)沖起的雜質(zhì)及氣泡進(jìn)入流程槽。

圖5　改進(jìn)的電鍍槽循環(huán)系統(tǒng)局部示意圖

1.1.3電鍍工作槽鍍液翻滾現(xiàn)象

電鍍線內(nèi)部上液部位和屏蔽板結(jié)構(gòu)如果設(shè)計(jì)不合理，會(huì)使鍍槽中鍍液的流速過快，導(dǎo)致鍍槽中的鍍液產(chǎn)生翻滾現(xiàn)象，這樣會(huì)將槽體底部沉淀的一些導(dǎo)電雜質(zhì)攪動(dòng)起來懸浮在鍍液中，雜質(zhì)粘附在產(chǎn)品上在電鍍時(shí)就會(huì)形成錫渣，如圖6所示。

圖6　陽極袋未將鈦籃包裹

對(duì)這種原因造成的錫渣問題，應(yīng)改進(jìn)上液部位和屏蔽板的結(jié)構(gòu)，降低鍍液流動(dòng)速度，保證鍍液的平穩(wěn)流動(dòng)，減少導(dǎo)電雜質(zhì)被沖起的幾率。

1.2整流器輸出設(shè)置不合理

電鍍線鍍槽整流器采用的是恒流控制，當(dāng)產(chǎn)品進(jìn)入電鍍槽時(shí)整流器會(huì)根據(jù)進(jìn)入鍍槽的產(chǎn)品數(shù)量輸出電流，所以當(dāng)產(chǎn)品進(jìn)入鍍槽時(shí)電鍍槽中的電流是逐漸增大的。如果電流的實(shí)際增加速度大于產(chǎn)品進(jìn)入鍍槽時(shí)的理論電流增加速度。這時(shí)候由于鍍槽中未夾產(chǎn)品部位的鋼帶與鍍液接觸面積較小，電流密度很大，在剛帶上就會(huì)形成燒焦產(chǎn)生雜質(zhì)，這些雜質(zhì)掉入鍍槽中粘附在產(chǎn)品上就會(huì)形成產(chǎn)品錫渣，如圖7所示，實(shí)際電流的增加速度越快，這種現(xiàn)象越嚴(yán)重。

圖7　電流密度大時(shí)在鋼帶上產(chǎn)生的錫渣

對(duì)于這種原因?qū)е碌腻a渣，需要調(diào)整整流器電流的輸出曲線，確保電流的實(shí)際增加速度與產(chǎn)品進(jìn)入鍍槽時(shí)理論電流增加速度一致。

1.3假片的反復(fù)使用

在實(shí)際生產(chǎn)中為了分隔不同批次，以及避免前后兩端產(chǎn)品因?yàn)榧舛朔烹娦?yīng)導(dǎo)致產(chǎn)生的燒焦現(xiàn)象，會(huì)使用到假片。使用過的假片在經(jīng)過去氧化時(shí)假片上的錫會(huì)和去氧化藥水中的Cu2+和氧化劑發(fā)生反應(yīng)，當(dāng)再次電鍍時(shí)就會(huì)在假片表面形成錫片，這些錫片掉落后就有機(jī)會(huì)粘附到產(chǎn)品上形成錫渣，如圖8所示，這也是產(chǎn)生錫渣的原因之一，解決辦法是盡量避免假片的重復(fù)使用。

圖8　假片反復(fù)使用后表面產(chǎn)生的錫片

2　錫片產(chǎn)生的原因及改善措施

電鍍錫片是指多余的錫片殘留在引線框的邊緣或引腳上，它不僅會(huì)堵塞定位孔，影響切筋工序，還會(huì)造成元器件的短路失效。電鍍錫片主要是由于鍍錫層與鋼帶的結(jié)合力差所造成，一般在連續(xù)高速鍍過程中較為常見［2］。錫片的產(chǎn)生主要是因?yàn)樵阡搸П砻鏁?huì)形成一層鈍化膜，使鍍層和鋼帶的結(jié)合力下降。電鍍后在產(chǎn)品和鋼帶經(jīng)過吹干時(shí)或在產(chǎn)品下料時(shí)錫片從鋼帶上面剝離下來造成錫片，如圖9、圖10所示。造成錫片的原因和改善措施有以下幾點(diǎn)。

圖9　鋼帶上的錫片

圖10　粘附在產(chǎn)品上的錫片

2.1鋼帶材質(zhì)的影響

電鍍線鋼帶一般使用耐腐蝕的SUS304和F316不銹鋼材料（見表1）。不銹鋼鈍化的原理可以用薄膜理論解釋，由于金屬與氧化性介質(zhì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，在金屬表面生成一層薄而致密、覆蓋性良好、附著力強(qiáng)的氧化物膜層，即鈍化膜。鈍化膜獨(dú)立存在，通常是氧和金屬的化合物，主要成分為CrO3，Cr2O3，F(xiàn)eO及NiO等，它是腐蝕介質(zhì)擴(kuò)散的阻擋層，是不銹鋼耐腐蝕性的基本屏障［3］。如果材料中的Cr元素超出標(biāo)準(zhǔn)含量，就會(huì)使鋼帶很容易鈍化，形成致密鈍化膜。當(dāng)鈍化較嚴(yán)重，超出活化槽的活化能力時(shí)，就會(huì)在電鍍后形成鋼帶掉錫片現(xiàn)象。

表1　316不銹鋼化學(xué)成分表

對(duì)于這種情況只能通過調(diào)整鋼帶中的元素成分來改變。

2.2過程及工藝設(shè)置不當(dāng)造成的鋼帶鈍化

根據(jù)電鍍線程序設(shè)計(jì)，預(yù)浸槽（活化鋼帶，去除鋼帶表面鈍化膜）只有產(chǎn)品通過時(shí)整流器才輸出電流對(duì)鋼帶進(jìn)行活化（不連續(xù)活化），因此在生產(chǎn)過程中當(dāng)設(shè)備停機(jī)、待料或空跑時(shí)鋼帶是不會(huì)被活化的。對(duì)長時(shí)間暴露在空氣中的鋼帶會(huì)很快在鋼帶表面形成較厚的鈍化膜。另外由于鋼帶在褪鍍槽中做陽極，如果褪鍍槽電壓設(shè)置過高會(huì)加劇析氧反應(yīng)，析出的氧氣也會(huì)導(dǎo)致鋼帶快速鈍化。鋼帶過度的鈍化超出活化槽的活化能力，造成鋼帶無法完全活化，就會(huì)形成電鍍后的鋼帶掉錫片現(xiàn)象。

對(duì)第一種情況可以通過修改PLC程序，將預(yù)浸槽整流器的輸出方式由原來的有產(chǎn)品時(shí)才輸出電流（不連續(xù)活化）改為只要鋼帶運(yùn)行時(shí)就有輸出電流（連續(xù)活化），這樣設(shè)備在空跑時(shí)鋼帶就會(huì)被活化，不會(huì)在鋼帶表面形成較厚的鈍化膜。對(duì)于設(shè)備產(chǎn)時(shí)間停機(jī)的情況只需要再開機(jī)多空跑一會(huì)即可將鋼帶活化（一般1圈即可），因?yàn)橹灰搸н\(yùn)行預(yù)浸槽就會(huì)對(duì)鋼帶進(jìn)行活化。對(duì)于褪鍍槽在保證鋼帶褪鍍干凈的情況下盡量將電壓設(shè)置的低一些，一般最好不要超過1.3 V。

2.3鋼帶活化后電鍍前的再鈍化

在實(shí)際生產(chǎn)中我們做過一些驗(yàn)證。當(dāng)活化方式為不連續(xù)活化時(shí)，將藥水濃度增大、活化時(shí)間延長來增強(qiáng)對(duì)鋼帶的活化力度，但是還是有錫片現(xiàn)象。原因就是采用了不連續(xù)的活化方式，當(dāng)更換批次設(shè)備空轉(zhuǎn)時(shí)鋼帶不被活化，在鋼帶表面產(chǎn)生了較厚的鈍化膜。相反當(dāng)活化方式為連續(xù)活化時(shí)，即使將藥水濃度降低、活化時(shí)間縮短時(shí)，只要鋼帶被活化后能在6 s內(nèi)進(jìn)入鍍槽就不會(huì)有錫片產(chǎn)生，但是如果鋼帶被活化后進(jìn)入鍍槽的時(shí)間超過12.5 s，就會(huì)產(chǎn)生錫片（見表2）。

通過以上實(shí)驗(yàn)可以看出，影響錫片產(chǎn)生的因素主要是鋼帶的活化方式和活化后的到鍍槽的時(shí)間。在連續(xù)活化的前提下，盡量縮短鋼帶活化后到鍍槽的時(shí)間。

表2　不同活化工藝條件對(duì)鋼帶錫片的影響

4　總結(jié)

4.1對(duì)于錫渣的控制

總之導(dǎo)致錫渣的的原因是多方面的，但歸根到底是鍍液中導(dǎo)電雜質(zhì)的影響。在日常生產(chǎn)中要經(jīng)常檢查陽極袋是否完好，在日常使用過程中是否有陽極袋松動(dòng)掉落現(xiàn)象，同時(shí)要確認(rèn)陽極邊緣是否高于鍍液液面。另外電鍍槽循環(huán)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，回流口的位置要盡量離泵的位置遠(yuǎn)一些，防止沉積到鍍槽底層的雜質(zhì)被吸入泵中。其次還要保證循環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定，注意調(diào)節(jié)流量，渡槽流程槽中不要出現(xiàn)不平穩(wěn)的流動(dòng)現(xiàn)象。

4.2對(duì)于錫片的控制

經(jīng)過驗(yàn)證將活化槽的整流器控制方式由原來的不連續(xù)輸出電流，改為連續(xù)輸出電流，對(duì)鋼帶進(jìn)行活化，這個(gè)方法經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證效果很明顯。同時(shí)要保證活化槽與電鍍槽之間的距離不能太長，以確保鋼帶活化后6s內(nèi)能夠進(jìn)入鍍槽，如果時(shí)間過長鋼帶會(huì)出現(xiàn)二次鈍化現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致鋼帶錫片的產(chǎn)生。最后對(duì)于在實(shí)際生產(chǎn)過程中的長時(shí)間停機(jī)現(xiàn)象，會(huì)使鋼帶長時(shí)間暴露于空氣中嚴(yán)重鈍化，那么在生產(chǎn)前先將鋼帶充分活化后再生產(chǎn)。

［1］ 賀巖峰，王鶴坤，劉鶴，孫紅旗.基體表面性質(zhì)對(duì)引線框架上無鉛鍍層的影響［J］.電鍍與環(huán)保，2011，31（2）：15-17.

［2］ 徐浩.電子封裝中電鍍常見缺陷原因分析［J］.電鍍與涂飾，2008，27（8）：21-23.

［3］ 林澤泉，郭志，林斌，劉爽，張磊，韓留紅，高玉柱.核電廠不銹鋼設(shè)備電化學(xué)鈍化技術(shù)［J］.腐蝕與防護(hù)，2013.34，（8）：605-612

王鋒博，（1985年-），男，陜西渭南人，2009年畢業(yè)于西北農(nóng)林科技大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，現(xiàn)就職于天水華天科技股份有限公司，從事集成電路封裝技術(shù)工作。

Discussion for IC Tin Residue and Sheet Issues During Pure Tin Plating Process

WANG Fengbo，WU Aili，LiU Hongbo

（Tianshui Huatian Technology Co.，Ltd，Tianshui 741000，China）

Tin residue and sheetis a frequent issue during pure tin plating process.Because of tin residue and sheet have the similar color totin layer and have avery small body，so it is difficult to be discovered.At the same time，tin residue and sheet can lead to short and electrical property unstable. This thesis discussed the reasons of tin residue and sheet issues during the Pure Tin Plating process，and aimed at the reasons，proposed some improvement ideas about the problem from hardware improvement and process control.

Passivation；Tin residue and sheet；Plating

TN405

B

1004-4507（2016）08-0015-05

2016-06-29電鍍企業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。影響純錫鍍層質(zhì)量的問題主要有：錫晶須、變色、鍍液渾濁、錫渣和錫片等問題。尤其隨著集成電路高集成度、高密度和引線框架的逐步加寬，電鍍線也由以往的掛式電鍍線逐步過渡到高速電鍍線，然而高速電鍍線的錫片、錫渣對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響越來越嚴(yán)重。錫渣、錫片在生產(chǎn)過程中很難發(fā)現(xiàn)和控制，一旦粘附在產(chǎn)品上未能發(fā)現(xiàn)就容易造成產(chǎn)品短路，造成很大的損失，因此錫渣、錫片問題亟待解決。