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PCB电镀焊料(锡铅合金)工艺介绍

放大字体  缩小字体发布日期:2012-05-10  浏览次数:748

1.作用和特性  焊料(60%)的锡和40%的铅)镀层应具有双重目的。它既用来作为金属抗蚀层,也用来作为以后要焊接元、器件的可焊性基体。因为这种镀出的合金近于锡/铅的低共熔点(63的锡/37的铅,熔点为367℉);因此它是很容易热熔的,这就使得它很可焊。大多数PCB制造厂商,要电镀金属化孔。当为了保证焊接一致而要求合金成分不变时,就采用焊料镀层。美国军用技术规范"MIL-P-81728,电镀锡-铅"指出:  除非另有规定,电子元、器件(PCB,尤其是那些用金属化孔互连的、接线柱和空心铆钉的)用的锡/铅镀层的厚度,当以至少相隔0.1英寸的四点测量时,平均最小厚度应为0.0003英寸(0.3毫英寸)MIL-STD-202的方法208叙述了一个用来确定镀层可焊性的机理。要得到认可,测试时,镀层应很容易和完全被焊料所覆盖。  电镀锡铅金一般采用氟硼酸盐镀液,这与镀液具有的成份简单、阴极和阳极电流效率高,可以获得含锡、铅为任何比例的合金镀层有关。  锡铅合金电镀镀液主要由氟硼酸锡、氟硼酸铅、氟硼酸和添加剂所组成。金属的氟硼酸盐可以买到浓液,然后再用水稀释到所要求的金属含量。下表列出了可以买到的浓缩液的金属含量,配成镀液的各种含量列在下表中,其中有金属化孔电镀用的高分散性镀液配方。1)镀液各组分的作用:氟硼酸亚锡和氟硼酸铅是金属的来源。镀液金属组分的变化,将会影响合金淀积层的成分。锡和铅金属浓液的组成氟硼酸铅浓液组分重量%克/升盎司/加仑氟硼酸铅pb(BF4)2 50.0 877.5 117.0铅金属Pb 27.2 475.5 63.4游离的氟硼酸HBF4 0.6 10.5 1.4游离的硼酸H3BO3 3.0 48 6.4氟硼酸亚锡浓液组分重量%克/升盎司/加仑氟硼酸亚锡,Sn(BF4)2 50.0 800 106.6锡金属,Sn 20.3 325 43.3游离的氟硼酸,HBF4 3.0 48 6.4游离的硼酸3.0 48 6.4焊料(60%Sn,40%Pb)电镀槽液的技术规范配制100加仑标准槽液组分重量氟硼酸亚锡浓液17.2加仑氟硼酸铅浓液5.25加仑硼酸9磅氟硼酸,48% 15加仑胨4磅水62.5加仑先在热水中溶解硼酸,再加到镀槽中。在冷水中先使胨溶胀,然后将水加热,同时强力搅拌。应先将氟硼酸加到水中,然后再加入硼酸和金属盐浓液。标准槽液的组成组分克/升盎司/加仑亚锡56.2 7.5铅26.2 3.5游离的氟硼酸100.0 13.3游离的硼酸26.2 3.5胨5.2 0.7配制高分散性槽液配方组分克/升盎司/加仑亚锡15.0 2.0铅10.0 1.3游离的氟硼酸400.0 53.3游离硼酸21.6 2.9胨5.2 7操作条件温度(℉)60~100阴极电流密度(安/平方英尺)10~25低金属含量25~40高金属含量搅拌慢速阴极棒阳极与阴极比2∶1阳极60Sn,40Pb高分散性槽液配方:这种镀液具有分散能力高、覆盖能力好、镀液成份简单、维护方便,成本低,热熔时的润湿性能好等伏点。缺点是镀层较软,易在生产过程中划痕。通过热熔可以改变晶体结构,提高镀层的抗蚀性能。  游离氟硼酸对镀层成份影响不大,而对镀层的结晶颗粒大小有影响。它能提高槽液的导电率和槽液的分散性,在氟硼酸浓度高的情况下,淀积层的晶粒尺寸变得细而平滑。同时保证阳极中Sn/Pb的正常溶解、抑制Sn2+的水解,提高镀液的稳定性。  硼酸在电镀中通常起缓冲剂作用,是为了抑制氟硼酸盐的水解而保持槽液的稳定性。同时又阻止了氟化轻气体的逸出,抑制了氟化铅沉淀的产生。但硼酸的加入会降低镀液的电导率,应加以控制。  胨是改促进生成平滑、晶粒细而无"树枝状"的镀层。但易分解,造成有机污染,增加运行维护的负担,影响生产效率。明胶等非胨类添加剂具有相同的作用,并且已成功地用来代替胨,有利于降低有机污染,提高生产效率。  专利性的添加剂起着胨相同的作用,并可买到浓液,使用很方便。现在可以买到的多数光亮剂,能获得镜面光亮焊料镀层。已经指出这种镜面光亮的镀层不需要热熔。  胶体添加剂的加入,可改善镀液的分散能力,使镀层结晶细致。但镀液中胶体的含量对镀层中锡的含量有显著的影响,随着胶体含量的增加,镀层中锡含量亦增加。因为,这些添加剂对铅的电沉积有效强的抑制作用;另一方面,胶体含量过多,生产过程中胶体在镀层表面吸附而夹杂于镀层中使镀层脆性增加,所以在生产过程中,一定要适当控制镀液中胶体含量。2)影响淀积层金属成份的一些因素:锡是很容易发生变化的主要组分,镀液在某些情况下,会导致锡组分的增加或降低。长期放置,亚锡会氧化。分析会说明,槽液中的亚锡是否仍在工作参数范围之内。温度过高时,镀液中的二价锡离子易氧化成四价锡离子。温度高于100℉,沉积层中的锡会稍微偏高。合金镀层中的锡含量,随电流密度增加而增加。高于推荐的电流密度,淀积层中的锡会增加(通常选取1.5-2A/dm2)。为了保证镀层锡/铅=60/40的比例,维持其可焊性,正确计算施镀面积、比较准确的控制电流密度至关重要。过度搅拌会使槽液中的亚锡氧化加快,随后将会使淀积层中的锡含量下降。在槽液中添加浓度为0.5~1.0克/升的间苯二酚,是为了抑制锡氧化。使用间苯二酚,淀积层中的锡含量会提高,这将迫使槽液中的亚锡含量下降。3)槽液的维护温度:温度过低,电极过程进行太慢,镀层粗糙,高电流区易烧焦,严重时间苯二酚和硼酸等会结晶析出。随温度增加电流密度上限直将提高,一般来说,温度上升,镀层中锡含量会降低。在采用胨或类似添加剂的一些槽液,其温度并不是很严格的。但采用专利性光亮剂的一些槽液,则要求严格控制温度在70~80℉,以防止光亮剂降解。过滤与搅拌:槽液应该采用连续过滤,以维持槽液澄清和防止镀层粗糙(实际设计应用时需与搅拌相结合)。为了去除来自添加剂的降解产物,槽液必须定期用活性炭处理。任何一种净化处理中,都不应该使用过氧化氢。搅拌可以消除浓度差,使电极过程顺利进行,更重要的是增加金属化孔内的镀液流通量,提高深镀能力。一般采用挂板孔方向阴极板面移动,移动频率为15-20次/分钟;振幅20-50毫米分析:应该经常分析亚锡,铅和氟硼酸。首先应该分析空着不用的槽液,以保证各组成都处在工作参数的范围之内。此外,淀积层的分析应与溶液的分析结合进行,化验分析应制订严格的规程由工艺控制部分掌握,以保证镀液的稳定性与镀层质量。阳极:电镀锡/铅合金用的阳极,常用60/40的锡/铅合金做可溶性阳极。放入不锈钢或蒙乃尔合金做成的专用阳极篮。目的是,使阳极面积常定,电力线分布均匀、提高阳极利用率与降低成本。阳极与阴极的面积比为2比1。阳极应套入用聚丙烯材料做成的阳极袋,应定期清洗阳极袋或检查孔眼是否畅通。4)氟硼酸盐镀锡/铅镀液的缺陷排除有机污染大多数有机污染的影响,可以通过活性炭定期地处理来避免。有机污染的一些症状是淀积层出现白斑或锡花纹、镀层的分散性降低和镀层的可焊性差,严重时局部无镀层。有机物的主要来源是添加剂的降解和电镀抗蚀剂。金属污染因为电镀铜在电镀焊料之前,铜镀液带入锡/铅镀液中,随后就造成金属污染。金属污染是以分散性降低和晶粒尺寸增大来表征的。铜等金属杂质应该在0.2-0.5/dm2电流密度下,使用波纹钢瓦楞阴极来空镀去除。氯化物氟化物会降低分散性,影响晶粒结构,使合金淀积层的成分偏离要求。要避免氯化物,不应使用含有氯化物的水来配制和补加槽液。在镀焊料前,不用盐酸而推荐用氟硼酸浸。空气不允许把空气引入槽液,它会使亚锡迅速氧化。要避免使用有泄漏的过滤泵,当过滤时,要保证流出物在槽液的液面下引入,这样就使之与空气的接触减少到最低程度。可焊性差:除了镀层中锡/铅比例不合适与槽液中的有机污染是可焊性差的原因之外,淀积层中的夹杂物也会引起严重的半润湿现象。但专利性的化合物完全可以去除蚀刻液的付产物;一般说来,还会改善沉积层的美观度。虽然擦刷可获得半光亮的焊料淀积层,但是当装配时,擦刷所嵌入焊料淀积层表面的杂质或其它材料,会引起严重的焊接问题。可以买到许多光亮浸剂,可以起到与热熔相同的作用,并仍能保持其可焊性。实践证明,有些可焊性镀层,随着贮存期的延长,可焊性逐渐变差。据报导,研究者认为可焊性降低与镀层氧化和基体(铜或铜合金)与镀层之间形成合金层(扩散)等因素有关。如果镀层很薄,该合金层(主要是铜锡合金)会暴露于镀件表面,而难以焊接。所以锡/铅合金层必须有足够的厚度,此厚度应大于因基体和镀层扩散而形成合金的厚度。据介绍在贮存或高温老化过程中形成的合金厚度大约为1.5-2μm。实践得出锡/铅合金的厚度为6-8μm合适。操作工艺与镀液维护:电镀操作与镀液运行维护,最好进行责任制分工。镀液与整工艺流程的化学药水从配制、添加、运行维护与品质保证,由化验室全面负责制。操作工负责工艺操作过程与质量检查。目的,是提高整工艺流程的工作质量,从而保证了产品质量的稳定性与经济性。据实际调查,镀液工艺方面的质量占30%;而工艺操作与前工艺不良造成的质量问题占70%。实际上由于管理的问题就占80%而设计与技术的问题只占20%(因为现在的设计与工艺技术已很成熟)。所以希望引起各管理层的重视。

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