PCB化學鍍錫錫厚研究

肖火亮 肖金輝 肖錫歡

（江西景旺精密電路有限公司，江西 吉安 343000）

0 引言

汽車電子產品對印制電路板（printed circuit board，PCB）的可靠性有非常高的要求，其中，化學鍍錫的厚度是一個很關鍵的指標?；瘜W鍍錫相對熱風整平焊錫、化學鍍鎳金及化學鍍銀等表面處理方式，在焊接性、平整度、保存期限和成本等方面綜合優(yōu)勢明顯，汽車電子產品在PCB 的表面處理方式選擇上也一直青睞于化學鍍錫。本文選取錫液濃度、錫槽溫度和過板線速等主要工藝因素對錫厚變化進行了系統(tǒng)性研究，并對X 射線（物理方法）和庫侖分析方法（化學方法）這兩種不同的錫厚測量方法進行了探討。

1 化學鍍錫的原理

化學鍍錫是通過Sn2+和Cu 發(fā)生置換反應，使Sn2+被還原成Sn，沉積到銅面上形成一層致密錫面，從而起到保護銅面作用的一種表面處理工藝。理論上，Sn2+與Cu 無法發(fā)生置換反應，因為Sn 相對Cu 更活躍，Cu+/Cu（0.512 V）和Cu2+/Cu（0.341 9 V）兩者的標準電極電位比Sn2+/Sn（0.137 5 V）的標準電極電位高出很多，無法實現(xiàn)銅置換錫。

通過硫脲起銅離子絡合劑及還原劑的作用，將Cu+形成穩(wěn)定的絡離子［Cu（NH2CSNH2）4］2+、［Cu（NH2CSNH2）4］2+，從而降低標準電極電位，使錫、銅發(fā)生置換反應，其反應化學方程式為

化錫后的電路板表面金屬層并非只存在金屬錫和銅兩種結構。其中，最外層是金屬錫，次外層是錫銅合金，最底層是金屬銅，結構示意圖如圖1 所示。在化錫過程中，銅被氧化成Cu2+，隨著化錫時間的延長銅厚逐漸降低，而被還原沉積在銅表層的錫厚呈遞增的趨勢，化錫時間與錫厚的關系示意圖如圖2 所示。當化錫反應時間為1 min 時，對應的錫厚為0.20 μm，化錫時間延長至20 min時，對應的錫厚為1.13 μm。

圖2 化錫時間與錫厚變化

2 錫厚的測量方法

2.1 X射線熒光光譜法

X 射線熒光光譜法可以測量鍍層中單質錫和融入到合金層的錫厚度之和，精密度取決于使用的參考標準片情況，可以測量總的錫厚。該方法適用于PCB 制造工廠和表面貼裝技術（surface mounted technology，SMT）貼片廠，可以測量PCB 成品任意位置的錫厚（建議焊盤尺寸≥1.5 mm×1.5 mm）。

2.2 化學方法

化學方法是指使用不同的溶解液剝離鍍層，剝離過程產生對應的電位差，然后以化學或儀器分析方法測量金屬離子含量，從而測定總錫厚和純錫厚。庫侖分析方法就是利用這個原理測量錫厚的。

2.3 連續(xù)性電化學還原分析法

連續(xù)性電化學還原分析法（sequential electrochemical reduction analysis，SERA）運用基本的電化學原理，可以分別測定氧化層、純錫層和合金層的厚度。

3 化學鍍錫錫厚影響因素

3.1 錫槽溫度與錫厚的關系

選取66～70 ℃溫度區(qū)間進行試驗，控制過板速度與藥水濃度不變，錫槽溫度越高，沉積的錫厚越厚。這是因為反應溫度升高，可以促進化錫反應的進行，加快錫沉積在銅表層的速率。經試驗驗證，錫槽溫度對錫厚變化有顯著的影響，結果如圖3所示。

圖3 錫槽溫度對錫厚的影響

3.2 過板速度與錫厚的關系

在控制錫槽溫度和藥水濃度不變的情況下，通過降低線路板化錫的過板速度，觀察錫厚的變化，結果如圖4所示。由圖4可見，隨著化錫過板速度的降低，線路板在錫槽浸泡的時間延長，使錫、銅之間發(fā)生置換反應的時間更充裕，化錫的錫厚沉積也就更厚。

圖4 浸泡時間對錫厚的影響

3.3 Sn2+濃度與錫厚的關系

保持錫槽浸泡時間和錫槽溫度不變，改變Sn2+濃度，觀察錫厚的變化，結果如圖5 所示。Sn2+濃度在26～36 g/L 范圍內變化時，錫厚出現(xiàn)無規(guī)律性的變化。原因為銅置換錫的反應通過硫脲起催化作用進行，而硫脲催化效果主要受反應溫度、硫脲含量和反應體系酸堿度的影響，微量改變錫離子濃度對化錫沉積速率的影響不大。

圖5 錫離子濃度對錫厚的影響

3.4 硫脲含量與錫厚的關系

在其他條件保持不變的情況下，硫脲含量在5.0～7.0 mol/L 范圍內上升時，錫厚會相應地增加，結果如圖6 所示。原因為絡合劑含量增加有利于促進絡銅離子的形成，將銅離子形成穩(wěn)定的絡離子［Cu（NH2CSNH2）4］2+、［Cu（NH2CSNH2）4］2+，加快化錫置換反應的進行，從而提高錫層的沉積速率。

圖6 硫脲含量對錫厚的影響

3.5 藥水負載

使用裸銅板進行化錫，模擬超正常藥水負載測試錫厚的變化，結果如圖7 所示。從圖中可以看出，在短時間內（30 min），連續(xù)超正常藥水負載下生產錫厚無明顯差異，最大差值為0.025 μm，平均錫厚為1.124 μm。

圖7 錫厚與藥水負載的關系

4 不同測量方法和儀器條件下錫厚測量的差異

4.1 采用X 射線與庫侖分析方法測量的差異

對同一試驗板、相同測試點分別用X 射線和庫侖分析方法測量，測出錫厚平均值如圖8 所示。結果表明，通過X 射線測量的錫厚值要高于庫侖分析方法測量，而采用庫侖分析方法較X 射線重復測量錫厚的測量結果穩(wěn)定性更好。

圖8 采用X射線與庫侖分析方法測量的差異

4.2 銅面粗糙度對X射線測量錫厚的影響

銅面粗糙度越大，通過X 射線測量的錫厚值越低（不同樣品在同一時間、同一狀態(tài)化學的錫槽制作）。銅面粗糙度對錫厚測量的影響見表1，錫厚隨銅面粗糙度變化的趨勢如圖9所示。

表1 銅面粗糙度對錫厚測量的影響 單位：μm

圖9 錫厚隨銅面粗糙度變化的趨勢

4.3 不同的底銅厚度對X 射線測量錫厚的影響

化錫中，在其他條件不變的情況下，改變試板底銅值，并對試板進行多個測試點及不同方位的X-ray錫厚測量，求取平均值，結果見表2。

表2 不同底銅厚度的化錫錫厚

由表2可見：底銅為18 μm時，測出錫厚平均值為1.337 μm；底銅為35 μm 時，測出錫厚平均值為1.116 μm，說明底銅越薄，越有利于化錫錫厚的沉積。

5 結論

（1）化學沉錫錫厚受錫槽溫度、浸泡時間和硫脲含量的影響，且呈正相關影響；錫槽溫度越高、浸泡時間越長、硫脲含量越高，對應的化錫錫厚就越厚。

（2）X 射線測量錫厚值與銅面粗糙度及底銅厚度呈負相關影響，銅面粗糙度越大、底銅厚度越大，錫厚測量值就越低。

（3）庫侖分析方法測量為純錫厚度，而X 射線測量為總錫厚（純錫厚度+錫銅合金層厚度），故X射線測量值總是高于庫侖分析方法測量值。