電鍍錫工藝參數對撓性印制板焊盤回流焊縮錫問題的影響

唐小俠

（蘇州維信電子有限公司，江蘇 蘇州 215128）

王 杰

（蘇州大學沙鋼鋼鐵學院，江蘇 蘇州 215002）

孫 茜

（蘇州大學機電工程學院，江蘇 蘇州 215002）

0 前言

在電子工業(yè)領域中，因錫和錫合金具有優(yōu)良的抗蝕性、導電性和可焊性，常作為保護性和可焊性鍍層被廣泛應用于電子元器件、線材、印制電路板（PCB）和集成電路等產品的最終表面處理。對于錫和錫合金的鍍層而言，多采用電鍍、熱浸鍍和化學鍍三種方法來實現(xiàn)鍍層的制備，其中以電鍍錫和化學鍍錫工藝最為普遍。甲基磺酸鹽體系作為一種成熟的鍍錫工藝，具有工藝成分簡單，鍍液導電性好，鍍層孔隙率低，毒性小、廢水易處理、對設備腐蝕性小、鍍液穩(wěn)定等優(yōu)點，已被廣泛應用于PCB，包括撓性PCB（FPCB）行業(yè)。此外，因甲基磺酸鹽工藝體系對陶瓷和玻璃等材料不易侵蝕，也被應用于半導體器件的鍍覆等[1]。

在PCB和FPCB行業(yè)中，常在銅焊盤表面上制備微米級錫及其合金鍍層，以保證下游裝配的可靠性和可操作性。然而，鍍錫后的焊盤在經歷回流焊熔化及凝固后，錫或其合金鍍層偶爾出現(xiàn)不能均勻覆蓋至焊盤表面的現(xiàn)象，即“縮錫”或“聚焊”。因此，本文采用電鍍錫工藝完成鍍層的制備，針對含微量銅的甲基磺酸鹽工藝鍍錫藥水，研究其藥水組分（濃度、銅含量等）及鍍錫工藝參數（溫度、攪拌速度）對FPCB焊盤回流焊縮錫現(xiàn)象的影響規(guī)律，其結果可為現(xiàn)場生產提供一定的理論依據。

1 實驗材料及方法

本實驗在實驗室進行，采用25 mm×50 mm（用屏蔽膜遮蔽后有效電鍍面積為0.1 dm2）Dossan 122512雙面ED（電子）銅基材做電鍍錫試驗板。其中電鍍錫的工藝流程為：除油→水洗→微蝕→水洗→電鍍錫→水洗→烘干。其中某M品牌電鍍錫藥水共包含5種藥水組分，分別為：Sn2+主鹽、甲基磺酸、Cu2+、添加劑A和添加劑C。本文共制備A、B、C、D、E、F和G七種樣品，其工藝參數如表1所示。在電流2 A時間5 min條件下，結合一定的攪拌速度，在霍爾槽（Hullcell）中制備Hullcell測試片，以觀察不同參數藥水的光亮區(qū)情況。

表1 樣品的不同工藝參數表

本文采用QUICK 872+236加熱平臺測試方法來模擬實際生產環(huán)節(jié)中的回流焊過程，其工藝路線為：將加熱平臺溫度設置為260 ℃并將測試樣品放置在平臺上，為保證測試樣品受熱均勻，利用鑷子按壓樣品周圍，使測試樣品電鍍錫部分貼合加熱平臺，加熱10～15 s后取下測試樣品，冷卻后利用OLYMPUS LED顯微鏡進行表面及顯微組織觀察。

2 結果與討論

2.1 電鍍錫藥水組分對回流焊縮錫的影響

2.1.1 Sn2+濃度對鍍層的影響

Sn2+在甲基磺酸體系中以甲基磺酸亞錫的形式存在，是開缸藥水中金屬Sn離子的來源，在生產中將主要來自陽極的溶解，一般不需要補加，需定期分析，如有必要則補加該藥水。

（1）Sn2+濃度對霍爾槽光亮區(qū)的影響。

使用A系列樣品所用的藥水制備Hullcell片，圖1是不同濃度的Sn2+的Hullcell片的觀察結果，隨著二價錫離子濃度增加，光亮區(qū)逐漸變寬。

圖1 不同濃度Sn2+的Hullcell片觀察結果圖

（2）Sn2+濃度對縮錫的影響。

圖2是對不同濃度Sn2+的A系列樣品的模擬回流焊測試結果，由圖可見當Sn2+濃度為25～40 g/L時，電流密度在0.9～2.0 ASD內均無縮錫現(xiàn)象產生。由此可以推斷，當Sn2+具有較高的濃度時，未對縮錫現(xiàn)象產生顯著影響。然而，Sn2+因濃度過高極易被氧化而形成Sn4+，使得需要高濃度的甲基磺酸絡合以保持溶液的穩(wěn)定性，從而導致使得鍍液成本增加。因此，根據實驗結果來看，Sn2+濃度在30±5 g/L左右最為適宜。

圖2 不同濃度Sn2+的模擬回流焊測試結果圖

2.1.2 甲基磺酸濃度對鍍層的影響

甲基磺酸可以增強電鍍液的導電性，在鍍液中有很強的絡合作用，還有表面活性劑的功能。保持鍍液中適當的甲基磺酸濃度可增加甲基磺酸亞錫的穩(wěn)定性。盡管甲基磺酸不參與電鍍反應，但生產中有帶出等損耗，一旦含量過少則會影響Sn2+的穩(wěn)定，需要定期分析補加。

（1）甲基磺酸濃度對Hullcell片光亮區(qū)的影響。

使用B系列樣品所用的藥水制備Hullcell片，圖3是不同濃度的甲基磺酸的Hullcell片的觀察結果。由圖可見，隨著甲基磺酸濃度增加，光亮區(qū)會先變寬再變窄；當甲基磺酸濃度約為120 g/L時，光亮區(qū)最寬。因此，甲基磺酸的濃度應控制在100～160 g/L的范圍內最佳。

圖3 不同濃度甲基磺酸的Hullcell片觀察結果圖

（2）不同濃度的甲基磺酸對縮錫問題的影響

圖4是對不同濃度甲基磺酸的B系列樣品的模擬回流焊測試結果，由圖可見甲基磺酸在90～170 g/L范圍內，電流密度在0.9～2.0 ASD內均無縮錫現(xiàn)象產生。由此可以推斷，較高濃度的甲基磺酸未對縮錫產生影響。

圖4 不同濃度甲基磺酸的模擬回流焊測試結果圖

2.1.3 Cu2+濃度對縮錫問題的影響

Cu2+是藥水體系中金屬Cu離子的來源，其濃度需要嚴格控制，濃度太低或太高都會影響合金鍍層的熔點，且太高還會引起鍍層變色問題。因此，需要定期分析補加。

（1）Cu2+濃度對Hullcell片光亮區(qū)的影響。

使用C系列樣品所用的藥水制備Hullcell片，圖5是不同濃度的Cu2+的Hullcell片的觀察結果。由圖可見，隨著Cu2+濃度增加，光亮區(qū)在0.3 g/L及以下時變化不明顯，當Cu2+增加到0.5 g/L時，光亮區(qū)消失，只有半光亮區(qū)。因此Cu2+濃度應控制在0～0.3 g/L的范圍內。

圖5 不同濃度Cu2+的hullcell片觀察結果圖

（2）Cu2+濃度對縮錫的影響。

圖6是對不同濃度Cu2+的C系列樣品的模擬回流焊測試結果，由圖可見Cu2+在0.1～0.5 g/L范圍內，電流密度在0.9～2.0 ASD內均無縮錫問題，說明Cu2+在較高濃度范圍內與縮錫問題沒有關聯(lián)。

圖6 不同濃度Cu2+的模擬回流焊測試結果圖

2.1.4 添加劑A濃度對縮錫的影響

添加劑A是藥水中的潤濕劑、整平劑，其影響藥水的深鍍能力，因而其濃度需要控制，但因其不能分析，需要定期打Hullcell片進行判斷補加。

（1） 添加劑A濃度對Hullcell片光亮區(qū)的影響。

使用D系列樣品所用的藥水制備Hullcell片，圖7是不同濃度的添加劑A的Hullcell片的觀察結果。由圖可見，當未添加劑A時，Hullcell片表面泥濘，無法得到均勻的錫鍍層；隨著添加劑A濃度增加到5 ml/L左右時，hullcell片出現(xiàn)半光亮區(qū)；當A增加到10ml/L左右時，出現(xiàn)光亮區(qū)；隨著A濃度增加光亮區(qū)變寬再變窄，且在A濃度增加到50 ml/L時，光亮區(qū)再次消失；其中在A濃度為20 ml/L左右時光亮區(qū)最寬。因此添加劑A濃度應控制在10～40 ml/L范圍內。

圖7 不同濃度添加劑A的Hullcell片觀察結果圖

（2）添加劑A濃度對縮錫的影響。

圖8是對不同濃度添加劑A的D系列樣品的模擬回流焊測試結果，由圖可見添加劑A濃度在5 ml/L時，電流密度在0.9 ASD時沒有縮錫問題；在1.2～2.0ASD時有縮錫問題。添加劑A濃度在10 ml/L時，電流密度在0.9～1.5 ASD時沒有縮錫問題；在2.0 ASD時，有明顯的縮錫現(xiàn)象產生。添加劑A濃度在15～25 ml/L時，電流密度在0.9～2.0 ASD時，均無縮錫問題。添加劑A濃度在30 ml/L時，電流密度在0.9～1.5 ml/L時，沒有縮錫問題；在2.0 ASD時，有縮錫問題。由此說明，添加劑A與縮錫問題有直接的關聯(lián)，其濃度應控制在15～25 ml/L的范圍內。如果生產時電流密度較低，可以控制在10～30 ml/L的范圍內。

圖8 不同濃度添加劑A的模擬回流焊測試結果

2.1.5 添加劑C濃度對縮錫的影響

添加劑C是藥水中的光亮劑，因其不能分析，也需要打Hullcell片進行判斷其濃度。

（1）添加劑C濃度對Hullcell片光亮區(qū)的影響。

使用E系列樣品所用的藥水制備Hullcell片，圖9是不同濃度的添加劑C的Hullcell片的觀察結果，在沒有添加劑C時，光亮區(qū)較窄；在其濃度增加為0.15 ml/L時光亮區(qū)最寬；在0.25 ml/L～1 ml/L時，添加劑C濃度增加對光亮區(qū)寬度影響不大，但添加劑C濃度為1 ml/L時，整個高電流密度區(qū)非常閃亮。

圖9 不同濃度添加劑C的Hullcell片觀察結果

（2）添加劑C濃度對縮錫的影響。

圖10是對不同藥水溫度下的E系列樣品的模擬回流焊測試結果，由圖可見當添加劑C濃度在0.25 ml/L～0.5 ml/L范圍內，電流密度在0.9～2.0 ASD內均無縮錫問題，說明添加劑C在0.25～0.5 mL/L濃度范圍內與縮錫問題沒有關聯(lián)。

圖10 不同濃度添加劑C的模擬回流焊測試結果

2.2 不同攪拌速度對縮錫問題的影響

2.2.1 不同攪拌速度對Hullcell片光亮區(qū)的影響

使用F系列樣品所用的藥水制備Hullcell片，圖11是不同攪拌速度的Hullcell片的觀察結果。由圖可見，當攪拌速度慢時，光亮區(qū)變窄；當攪拌速度快時，光亮區(qū)變寬。因此，應具有較高的攪拌速度，可以保持較寬的光亮區(qū)。

圖11 不同攪拌速度的Hullcell片觀察結果

2.2.2 不同攪拌速度對縮錫問題的影響

圖12是對不同攪拌速度下的F系列樣品的模擬回流焊測試結果，由圖可見當藥水具有較低的攪拌速度時，較低電流密度1.2 ASD時可得到沒有縮錫問題的樣品；若提高或降低電流密度，樣品中均有縮錫現(xiàn)象產生。因此，在較低的攪拌速度時，電流密度的工作區(qū)域較窄；當攪拌速度由慢速變?yōu)橹兴贂r，電流密度的工作區(qū)域變寬，在1.2～2.0 ASD時均可以得到沒有縮錫問題的樣品；當攪拌速度最高時，電流密度的工作區(qū)域變得更寬，在0.9～2.0 ASD時均可以得到沒有縮錫問題的樣品。由此可見，除了電流密度的影響，攪拌速度對縮錫問題的影響很大。因此，在實際生產過程中，應在設備允許范圍內盡量保持較快的藥水循環(huán)速度。

圖12 不同攪拌速度的模擬回流焊測試結果

2.3 溫度對縮錫問題的影響

2.3.1 溫度對Hullcell片光亮區(qū)的影響

使用G系列樣品所用的藥水制備Hullcell片，圖13是不同溫度下的Hullcell片的觀察結果，由表圖可見，溫度越高光亮區(qū)越寬，且往低電流密度區(qū)移動，但溫度達到30 ℃時，光亮區(qū)不僅變窄，而且發(fā)霧。因此藥水溫度應控制在25 ℃以下。

圖13 不同溫度的Hullcell片觀察結果

2.3.2 溫度對縮錫問題的影響

圖14是對不同藥水溫度下的G系列樣品的模擬回流焊測試結果，由圖可見當藥水溫度在20 ℃和25 ℃時，電流密度在1.2～2.0 ASD時，均沒有縮錫問題，而當溫度為30 ℃時，所有電流密度下均有縮錫問題。因此，藥水溫度應控制在25 ℃以下。

3 結論

（1）電鍍錫各工藝參數對Hullcell片的光亮區(qū)均有影響。尤其是添加劑A和攪拌速度，當藥水中沒有添加劑A時，Hullcell片表面泥濘，不能得到均勻的錫鍍層；而藥水攪拌速度越快，光亮區(qū)越寬。

（2）電鍍錫藥水中添加劑A組分與縮錫問題有直接關聯(lián)，當濃度偏高或偏低均有縮錫問題發(fā)生，其濃度應控制在15～25 ml/L；若生產時電流密度較低，可以稍微放寬其濃度范圍。

（3）電鍍錫藥水的攪拌速度對縮錫問題有明顯的影響，當攪拌速度較慢時，只有較低的電流密度才可獲得無縮錫問題的鍍層，電流密度工作區(qū)域窄；當攪拌速度較快時，可以使用0.9～2.0 ASD的電流密度獲得無縮錫問題的鍍層。

（4）電鍍錫藥水的溫度對縮錫問題有明顯的影響，當溫度為30 ℃時，不同電流密度下均有縮錫問題。因此，藥水溫度應控制在25 ℃以下。