論表面處理技術(shù)在片式電子元器件制造中的應用

張發(fā)秀，麥雪清

（廣東風華高新科技股份有限公司，廣東 肇慶 526020）

0 引言

片式電子元器件（SMD）是指無引線或短引線的新型微小電子元器件，又稱片式電子元器件，它適合于在沒有穿通孔的印制板上安裝，是SMD的專用元器件。片式電子元器件外形多數(shù)是微小的長方體、正方體，沒有普通元器件那樣的插腳，焊接是在生產(chǎn)線上由機器進行，適合大規(guī)模生產(chǎn)，成本低，性能好，是電子元器件發(fā)展方向。片式元器件可分為兩大類，即片式有源器件和片式無源元件。如果電子元器件工作時，其內(nèi)部沒有任何形式的電源，則這種器件叫做片式無源元件。簡單地講就是需能（電）源的器件叫片式有源器件，無需能（電）源的器件就是片式無源元件[1]。

公司生產(chǎn)的是片式電子元器件，是通過表面貼裝技術(shù)裝貼在PCB板上，所以要求在片式元器件制造過程中，要對電子元器件進行前處理制程、電鍍制程、后處理制程，即給片式元器件的端電極鍍上相應的鍍層，使片式元器件獲得焊接性能及耐熱性能，以保障SMD順利裝貼在PCB板上，其表面處理技術(shù)工藝流程為：脫脂→活化→鍍銅→鍍鎳→鍍錫→錫后保護，下面是對SMD的表面處理工藝流程進行詳述[2]。

1 表面處理技術(shù)工藝流程及其機理簡析

1.1 表面處理工藝—脫脂

片式元器件本體大都是由陶瓷、鐵氧體等材料燒結(jié)而成，對酸、堿等化學品都很敏感，容易被腐蝕。所以脫脂工藝必須選用低腐蝕性的專用除油劑。一般采用堿性除油，效果較好。

1.2 表面處理工藝—活化

為了保證片式元器件不被被腐蝕，活化工藝也必須選用低腐蝕性的專用活化劑。一般選取酸性活化（PH值不低于2），既可防止片式元器件被腐蝕，又可有效去除端電極表面的氧化物。

1.3 表面處理工藝—鍍鎳

片式電子元器件在進行自動貼裝（SMT）時，有時要經(jīng)過反復幾次，而且溫度高（一般在260℃左右），有些高溫的要求在300℃以上。所以在鍍錫前必須鍍上一次具有耐熱性能較好的鎳阻擋層，保障元器件在SMT時的錫層流失。

1.4 表面處理工藝—鍍錫

片式電子元器件要獲得焊接性能，可以選擇鍍錫、鍍銀、鍍金等工藝，但鍍銀、鍍金工藝成本高且處理液有劇毒，所以現(xiàn)在普遍選用鍍錫工藝。傳統(tǒng)的酸性鍍錫處理液對片式元器件有腐蝕，用中性鍍錫工藝較為合適。

1.5 表面處理工藝—錫后保護

在鍍錫后加上一層保護膜，可以讓片式元器件在存放時抵抗環(huán)境中水汽、有害氣體及高溫的傷害。同時，可解決裝貼時錫層的變色、焊接后的有空隙等問題。

2 表面處理技術(shù)應用的關(guān)鍵指標

2.1 溶液/處理液PH值

不管是前、后處理液還是處理液，PH值的高低由片式元器件固有的材料特性（一般由粉體材料、端電極材料）決定，對不同的加工對象，PH值也各不相同。一般情況下，片式電阻適于PH值3及以下，片式電容PH在4-6，片式電感介于這二者之間。近年來，市場上開始流行有中性電鍍錫概念，對于何謂中性電鍍錫，并沒有明確的定義。但就二價錫來說，并非PH值越高越好，因隨著PH值的升高，二價錫氧化成四價錫的概率變大，易造成錫處理液不穩(wěn)定，即使有抗氧化劑的加入也很難改變這種不穩(wěn)定的趨勢[3]。所以，合適的PH值不僅是片式元器件固有可靠性的選擇，也是鍍/溶液穩(wěn)定的關(guān)鍵。

2.2 鍍層

2.2.1 鍍層厚度

鍍層厚度與片式元器件本身的結(jié)構(gòu)，特別是端電極金屬的結(jié)構(gòu)關(guān)系較大；鍍層厚度的高低（特別是硬度較大的底層金屬鍍層如鎳等）不但決定了片式元器件耐熱沖擊的容忍度，也決定了焊接性能的好壞。底層鍍層越厚，表面相對來說較為平整，則外層的錫層在焊接時潤濕能力較好，易上錫；但底層鍍層越厚對瓷體產(chǎn)生的應力反作用力越大，在熱沖擊的情況下，瓷體易受損，出現(xiàn)微裂紋而失效。故一般底層銅鍍層在（5-8）um、底層鎳鍍層在（2-5）um、錫層在（5-10）um。

2.2.2 鍍層的晶相

這是表面處理技術(shù)有關(guān)鍍層的最關(guān)鍵的一個指標。鍍層結(jié)晶的致密性（晶粒間的間隙）、均勻性（晶粒形狀的大?。┦橇己缅儗拥母荆梢赃@樣說，整個電鍍過程（電化學反應過程）都是圍繞這兩個特性進行的，這兩個特性直接決定了焊接性能的好壞。該指標與處理液的材料、組份、溫度、PH值、電流密度關(guān)系較大，不在此詳述了。

2.2.3 鍍層平整性

該參數(shù)目前較難量化，可通過鍍層/底層表面的平整度或粗糙程度來表示。一般情況下，鍍層/底層表面越粗糙，越易吸附處理液中的雜質(zhì)離子或造成氣泡停留或吸附空氣中的浮塵粒子，使鍍層表面的雜質(zhì)增多而影響到鍍層間的嵌合或污染鍍層。

2.3 去離子水電導率

去離子水清洗的作用是把片式元器件表面的雜質(zhì)離子去除，從而避免不同溶液間的交叉污染，并保障鍍層表面的清潔。其中，電導率是去離子水的關(guān)鍵指標，對于片式元器件不同種類，對其電導率要求有不同，一般來說，片式電阻、片式電感等的較高，片式電容的較低。電導率越低則表示去離子水的水質(zhì)好，大部分表面處理技術(shù)廠家的標準在（15-50）uS/cm。

3 表面處理技術(shù)應用中常見質(zhì)量問題分析及處理方法

3.1 外觀

A端電極延伸/爬鍍原因：（1）單位面積內(nèi)陰極電流密度大，端電極結(jié)晶速率過快。（2）設(shè)備轉(zhuǎn)動慢或不轉(zhuǎn)動。（3）表面處理液PH偏低或其組分參數(shù)失。（4）片式元器件材料材料特性所致。解決方法：（1）降低單位面積陰極電流密度或增加陰極表面積，確保合適的電流密度。（2）定期對設(shè)備保養(yǎng)或采用自動化程度高的設(shè)備，維護設(shè)備穩(wěn)定性。（3）提高處理液PH或把組分參數(shù)調(diào)整到工藝范圍內(nèi)。（4）改善鍍前材料的特性或?qū)μ厥獠牧掀皆骷ㄖ脤Ｓ锰幚硪骸?/p>

B端電極發(fā)黑原因：（1）設(shè)備停轉(zhuǎn)導致陰極處局部電流密度過大，在大電流瞬間沖擊下，出現(xiàn)發(fā)黑現(xiàn)象。（2）表面處理液中添加劑（含有光亮作用）成分偏低。（3）端電極表面有非金屬導體雜質(zhì)無法鍍上正常鍍層。解決方法：（1）定期對設(shè)備保養(yǎng)或采用自動化程度高的設(shè)備，維護設(shè)備穩(wěn)定性。（2）控制好處理液中各添加劑含量的組份，可用赫爾槽試驗定期分析。（3）做好表面處理前端電極表面的工藝衛(wèi)生。

C端電極粗糙原因：（1）設(shè)備停轉(zhuǎn)導致陰極處局部電流密度過大，結(jié)晶速率過大鍍層疏松。（2）陰極漏電處粘附有部分片式元器件，在大電流密度作用下，出現(xiàn)結(jié)晶異常、粗糙。解決方法：（1）定期對設(shè)備保養(yǎng)或采用自動化程度高的設(shè)備，維護設(shè)備穩(wěn)定性。（2）修復陰極漏電部位或更換陰極。

3.2 鍍層

鍍層偏低原因：（1）表面處理過程中陰極電流密度偏低或處理時間過短。（2）處理液組份比例失調(diào)或雜質(zhì)離子含量過高。解決方法：（1）增大陰極電流密度或加長處理時間。（2）控制表面處理液各組份或清除雜質(zhì)離子。

鍍層偏高原因：（1）表面處理過程中陰極電流密度偏高或處理時間過長。（2）鍍層均勻性差，厚度極差大導致鍍層偏高。解決方法：（1）降低陰極電流密度或減少處理時間。（2）控制設(shè)備內(nèi)部的攪拌狀態(tài)，減少極差[4]。

3.3 焊接

可耐焊上錫不良原因：（1）表面處理層偏薄。（2）表面處理液組份比例失調(diào)或雜質(zhì)離子含量過高。（3）表面處理層結(jié)晶不致密、孔隙多。（4）表面處理層表面有污物。（5）表面處理層表面氧化。解決方法：（1）提高表面處理層到合適厚度。（2）控制表面處理液各組份或清除雜質(zhì)離子。（3）改善表面處理層結(jié)晶，提高致密性、減少孔隙。（4）控制去離子水的清洗及后續(xù)流程加工的二次污染。（5）控制儲存環(huán)境。

回流焊上錫不良原因：（1）表面處理層結(jié)晶疏松多孔。（2）底層金屬或表面處理層局部缺失。（3）表面處理層有多重（至少兩重以上）。（4）表面處理層表面有污物。（5）表面處理層表面氧化。解決方法：（1）改善表面處理層結(jié)晶，提升致密性、減少孔隙。（2）控制片式元器件表面處理前過程及減少表面處理過程污染或處理后的硬物機械損傷。（3）改善錫層結(jié)晶，提高致密性、減少孔隙。（4）控制去離子水的清洗及后續(xù)流程加工的二次污染。（5）控制運輸及儲存環(huán)境[5]。

3.4 可靠性

主要指片式元器件的電氣性能完全失效或部分失效，這里只討論與表面處理技術(shù)有關(guān)的因素。原因分析：（1）表面處理液PH值過低，導致內(nèi)外電極連接處被腐蝕。（2）表面處理底層金屬氧化導致表面處理層脫落。（3）表面處理液與端電極中的某些組份發(fā)生不良反應，導致端電極脫落。（4）受熱沖擊時基體有裂紋。解決方法：（1）控制表面處理液的PH值在合理范圍內(nèi)。（2）管控好表面處理過程，杜絕表面處理底層金屬氧化。（3）改良表面處理液材料特性，防止與端電極的組份發(fā)生不良反應。（3）采用預熱的方式[6]。

4 結(jié)語

隨著電子信息的高速發(fā)展，片式電子元器件得到了廣范的普及。片式電子元器件表面處理技術(shù)，是一項較復雜的工作，其加工流程較長，工藝參數(shù)多，需要考慮的因素較多。仍需有志于此的同行一起繼續(xù)努力，提高電子元器件使用的可靠性，共同做好表面處理技術(shù)。