电子封装业可焊性镀层通常采用甲基磺酸锡铅电镀[1 ] ,电镀方式可以采用挂镀或高速镀。为了给我公司开发的SYM - SSP 系列新型全自动高速环型引线框架电镀生产线配套,我们开发了新型高速锡铅电镀添加剂SYT - 845 。高速电镀的特点是电镀时间短。挂镀电镀时间通常为15 min～30 min ,高速镀为80 s ,即在80 s 内能使引线框架上的可焊性镀层达到规定的厚度(例如DIP、SOT 系列通常为(9 ±2) μm) 。短电镀时间相应带来了高电流密度。挂镀的电流密度< 3 A/ dm2 ,通常是1 A/ dm2左右,而高速镀则为15 A/ dm2～25 A/ dm2 。目前国际上已经有60 s 工艺,甚至40 s 工艺,在这样的条件下对电镀添加剂的要求更为苛刻。我公司开发的新型高速锡铅电镀添加剂SYT - 845 ,可适用于60 s工艺,也能用于40 s 或者80 s 的工艺中,并且镀层结晶细腻、可焊性好、厚度分布均匀。添加剂消耗量低、镀液性能稳定、维护非常容易。
1 实验部分
1. 1 Hull 槽实验
采用250 mL 标准Hull 槽,阴极为100 mm ×70mm 厚度0. 3 mm 的紫铜片,阳极为70 mm ×60 mm厚度9 mm 的锡铅板(90/ 10) 。工艺方法:除油→水洗→砂纸(500 号) 打磨→水洗→活化φ(甲磺酸) 10%溶液→电镀。工艺条件:电流5 A ,温度:40 ℃,时间:60 s。
1. 2 电镀实验
电镀实验在SYD - 100 多功能电镀实验台(上海实用微机技术公司产品) 上进行,镀槽容积10 L 。
电镀时阴极移动,镀液静止,移动速度30 次/min。采用DDK - 1 型试验专用电源(绍兴承天电器厂产品) 作为电源。在FISCHER XDLM - PCB型X 射线荧光测厚仪上测试镀层厚度和锡含量。电镀工艺为: 除油( SYT - 8010) →水洗→去氧化(SYT - 863) →水洗→活化(φ(甲磺酸) 10 %溶液)→电镀→中和(SYT870) →水洗→吹干。工艺中所用全部药水均为上海新阳电子化学有限公司产品。工艺条件: c (H+ ) = 160 g/ L , c ( Sn2 + ) = 30 g/ L , c(Pb2 + ) = 3 g/ L ,φ( SYT845) = 30 mL/ L 。实验框架为SOT23 (铁镍基) 和DIP16 (铜基) 。
1. 3 高速模拟实验
高速模拟实验在我公司制造的高速模拟实验设备上进行。实验设备材质为PP 塑料,镀槽容积68L , 配备0. 75 kW 循环泵, 用OMRON 公司的E5CST 型控温仪控温,电源为ZDA - 50 A/ 12 V 硅整流器(绍兴承天电器厂产品) 。实验时镀液循环流动,镀件静止。电镀工艺为:除油(SYT - 8010) →水洗→去氧化(SYT - 863) →水洗→活化(φ(甲磺酸)10 %溶液) →电镀→中和(SYT870) →水洗→吹干。工艺中所用全部药水均为上海新阳电子化学有限公司产品。工艺条件: c (H+ ) = 160 g/ L , c (Sn2 + ) = 30g/ L ,c (Pb2 + ) = 3 g/ L ,φ(SYT845) = 30 mL/ L 。实验用框架为SOT23 (铁镍基) 和DIP16 (铜基) 。
2 添加剂组成研究
为了提高效率目前高速镀不断向着更高速发展,为了适应这一需求,我们把研究的重点放在组份提高电流密度上。同时作为工业产品,使用中的稳定性也是我们时刻追求的目标。对于电镀添加剂来说,最重要的是做到各组份间的均衡、协调,它应该容易使用、维护方便、性能稳定,对于使用者来说这可能比添加剂的其他性能更为重要。基于这样的考虑,我们对添加剂的配方进行了深入、细致地研究,得到了较为理想的配方组成。
从各组份的功能来说,添加剂中应包括如下组份。
2. 1 防烧焦组份
在高电流密度下电镀会发生烧焦现象。由于高速镀是在很短的时间内镀出规定厚度的镀层,它的电流密度通常是普通挂镀的十几倍以上,所以高速镀添加剂必须具有良好的防烧焦性能。防烧焦组份主要是含芳环及双键的某些化合物、某些含氮、硫及氧的有机化合物。防烧焦组份一般应有适宜大小的分子量,分子量太小的组份不具有好的防烧焦效果。
2. 2 分散性组份
分散性或分散能力决定了镀液的均匀覆盖能力。引线框架通常具有复杂的形状,有开孔和柱状管脚等,而它同时对镀层的厚度分布有较严格的要求。如果分散性差会造成部分区域漏镀或者厚度分布过大,超出规定的指标(如SOT、DIP 等要求的(9±2) μm) 。某些含有环氧乙烷或/ 和环氧丙烷链节的有机羧酸、含双或三键有机羧酸的某些衍生物或含氮化合物、某些表面活性剂等都具有分散作用。但找到一种适合于本体系的性能良好的分散剂并不容易,因为高速镀对镀液的泡沫有较严格的要求。
2. 3 整平组份
整平性是对电镀添加剂的基本要求[2 ] ,因为任何镀件在微观上总是凸凹不平的。起整平作用的组份主要有:含有芳香族分子和含有π键基团的有机物、某些含氮或氧的杂环化合物及某些含氮和氧或双键的表面活性剂等。
2. 4 抗氧化组份
抗氧化组份的作用主要是防止镀液中的Sn2 +氧化为Sn4 + ,保持镀液稳定。常用的抗氧化剂主要有对苯二酚、邻苯二酚、间苯二酚、β- 萘酚及抗坏血酸等。
2. 5 晶粒细化组份
引线框架的电镀要求形成均匀、细致的结晶镀层,所以添加剂中要有晶粒细化组份。事实上,各类光亮剂都具有晶粒细化作用,但在选择晶粒细化组份时要特别注意组份间的匹配。许多起晶粒细化作用的组份都以一定的速率在不断消耗,但作为亚光型的高速电镀添加剂其中的组份基本上是不消耗或消耗的很慢。所以要选择那些消耗速率慢的组份作为添加剂的晶粒细化组份。否则,在添加剂的使用中会出现组份失调。主要有:某些含氮的杂环化合物、某些含硫的化合物、某些含双键或羰基的表面活性剂等。
在确定添加剂组份时要注意以下几点: (1) 添加剂最重要的是维持均衡,即使组份间搭配合理,使各组份的作用均衡、稳定,各组份共同发挥作用。添加剂发展到目前的水平其组份往往并不是仅仅具有单一的功能。一种组份可能有多种作用,多种组份也可能发挥一种功能。所以,组份的配合、协调是添加剂的关键; (2) 要尽量避免在添加剂中引入无效组份,因为它长期的积累可能导致镀液失效或性能变坏; (3) 要尽量选择析氢小的组份; (4) 要适当注意镀液的杂质容忍能力; (5) 对含铅的电镀体系要注意某些组份可能与铅作用形成沉淀,如果添加剂中含有这种组份则会使镀液出现混浊; (6) 对锡铅电镀添加剂,应尽量选用非离子表面活性剂,尽量不用或少用阴离子或阳离子表面活性剂。从稳定性的角度来说,阴离子或阳离子表面活性剂存在着潜在的使镀液不稳定的可能性; (7) 对于高速电镀添加剂还要特别注意泡沫问题。高速镀中镀液在循环泵的作用下进行强烈的循环流动,当镀液的泡沫大时,泡沫会从贮槽和镀槽中溢出,影响操作。泡沫也会将镀件和钢带淹没,使镀件具有水渍或花斑,影响外观。所以在选择高速镀添加剂组份时要选择低泡沫组份; (8)由于高速镀是在较高的温度下进行的,所以添加剂的浊点也很重要,一般应大于50 ℃; (9) 在选择不同的组份时也要考虑镀层应力的消除。
3 工艺试验结果及讨论
3. 1 工艺条件的确定
通过Hull 槽实验和10 L 槽中的电镀实验,根据对各影响因素的试验分析,确定了添加剂在高速电镀中的工艺条件如下(90/ 10) 。
3. 1. 1 使用范围为
c (H+ ) :140 g/ L～250 g/ L
c (Sn2 + ) :25 g/ L～45 g/ L
c (Pb2 + ) :2. 5 g/ L～4. 5 g/ L
φ(SYT845) :15 mL/ L～80 mL/ L
3. 1. 2 最佳范围为
c (H+ ) :150 g/ L～200 g/ L
c (Sn + ) :30 g/ L～35 g/ L
c (Pb + ) :3 g/ L～3. 5 g/ L
φ(SYT845) :20 mL/ L～40 mL/ L
3. 1. 3 建议采用
c (H+ ) :160 g/ L
c (Sn + ) :30 g/ L
c (Pb + 3 ) :g/ L
φ(SYT845) :30 mL/ L 。
各工艺条件对高速电镀过程的影响如下。
(1) 甲基磺酸的含量:在锡铅高速电镀工艺中,宜采用稍高的甲基磺酸含量,这样有利于提高镀液的分散性。但不宜过高,甲基磺酸的含量过高可能会降低阴极的电流效率,造成阴极析氢。
(2) 二价锡离子: Sn2 + 是镀液中的主盐,它主要是由甲基磺酸锡和阳极溶解所提供。提高镀液中的Sn2 + 浓度,可以使用较高的电流密度,但在温度较低的情况下容易引起镀液分散性下降,会出现镀层厚度分布过大,甚至漏镀。当Sn2 + 含量过低时,高电流区容易烧焦、析氢加大引起电流效率下降。
(3) 二价铅离子:镀层中铅的含量过低会使镀层结晶粗糙、可焊性下降;铅含量过高会使镀层变暗,硬度下降。镀液中的Pb2 + 主要由甲基磺酸铅提供。镀液中Pb2 + 含量一般比镀层中的合金含量略低,这种差异的大小由工作温度、电流密度等因素决定。一般在配缸时宜采用较小铅含量,以后再根据镀层合金成分的分析数据进行适当调整,以避免镀液中铅含量过高的情况出现。
(4) 添加剂SYT845 :添加剂SYT845 在镀液中的作用较大,有它存在才可以镀出结晶细致、厚度均匀的镀层。它也可以减缓或防止Sn2 + 氧化成Sn4 + ,具有一定稳定能力和抗氧化能力。
当添加剂含量不足时,镀层质量会下降,镀液也可能较容易混浊( Sn4 + 产生) 。当添加剂含量过高时,则会有阴极析氢严重、电流效率下降等现象产生。但添加剂SYT845 具有很宽广的使用范围,一般情况下多些少些都不影响电镀效果。实验中在15 mL/ L～80 mL/ L 的范围内都可以正常操作并镀出了合格的产品。工业操作中宜尽量采用低的添加剂含量。
(5) 温度:提高镀液温度,可提高电流密度范围;降低镀液温度,电流效率会下降。当镀液温度过高时,镀液中的添加剂容易分解失效,镀液的抗氧化能力下降,Sn2 + 容易氧化成Sn4 + ,从而使镀液浑浊。
(6) 电流密度( J k) :一般电流密度增加会降低阴极电流效率。
3. 2 老化试验
镀液的老化试验是在10 L 镀槽中进行的。采用200 mm ×50 mm 紫铜片作为老化电镀样片,每老化一定时间,镀一条DIP16 框架检验镀液性能。镀液中除补加水以外不补加其他物质。经10 Ah/ L以上的老化试验,镀液的性能未发生变化,仍保持细致的结晶、洁白的外观和均匀分布的厚度。这说明添加剂中的各组份具有较为理想的配合,各组份的消耗都极小。在添加剂的实际使用影响加工质量。
4 加工注意事项及该法的其它应用
加工注意事项是: (1) 返程时需将滚刀退出全齿高; (2) 轴向进量f x 选定后,加工过程中不能随意改
变,如改变需重新计算ic1 ; (3) 加工过程中不准随意断开轴向进给; (4) 加工过程中不准随意改变进给方向; (5) 确定合理的差动挂轮传动比,易搭配挂轮并利于机床保养。常见滚齿机挂轮计算常数见表1。
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