简介概要

甲基磺酸盐镀液体系可焊性合金镀层的工艺

来源期刊：中国有色金属学报2001年第z1期

论文作者：于海燕梁成浩王兵

文章页码：202 - 205

关键词：电镀； SnAg合金；可焊性镀层

Key words：electroplating； SnAg alloy； solderable coating

摘要：研究了一种新型可焊性镀层—含银量 3%的锡银合金的电镀工艺 ,选择甲基磺酸亚锡和甲基磺酸银为主盐 ,柠檬酸钠、碘化钾和三乙醇胺为络合剂 ,研制了镀覆含银量为 3%的最佳镀液配方和施镀工艺条件。通过对镀层可焊性、抗高温氧化性能和表面接触电阻等性能的考察发现 ,低含银量的锡银合金镀层性能优于锡铅合金镀层 ,且镀液成分简单、性能稳定、无毒无害 ,具有广泛的应用前景。

Abstract: A new solderable coating SnAg (3%Ag) alloy is recommended as a substitute for SnPb alloy coating. The processes of electroplating SnAg (3%Ag) alloy from methanesulfonate bath were studied. The sorts of main salts, complexing agents and additives were determined. The bath functions such as stability, covering power, throwing power, current efficiency, deposition velocity and cathodic polarization curves were tested. The surface appearances were observed.

DOI:10.19476/j.ysxb.1004.0609.2001.s1.049

甲基磺酸盐镀液体系可焊性合金镀层的工艺

于海燕梁成浩王兵

大连理工大学化工学院

沈阳工业大学理学院大连116012

沈阳110023

摘要：

研究了一种新型可焊性镀层—含银量 3 %的锡银合金的电镀工艺 , 选择甲基磺酸亚锡和甲基磺酸银为主盐 , 柠檬酸钠、碘化钾和三乙醇胺为络合剂 , 研制了镀覆含银量为 3 %的最佳镀液配方和施镀工艺条件。通过对镀层可焊性、抗高温氧化性能和表面接触电阻等性能的考察发现 , 低含银量的锡银合金镀层性能优于锡铅合金镀层 , 且镀液成分简单、性能稳定、无毒无害 , 具有广泛的应用前景。

关键词：

电镀;SnAg合金;可焊性镀层;

中图分类号： TQ153.2

收稿日期：2000-11-10

Electroplating processes of solderable coatings from methanesulfonate bath

Abstract：

A new solderable coating SnAg (3%Ag) alloy is recommended as a substitute for SnPb alloy coating. The processes of electroplating SnAg (3%Ag) alloy from methanesulfonate bath were studied. The sorts of main salts, complexing agents and additives were determined. The bath functions such as stability, covering power, throwing power, current efficiency, deposition velocity and cathodic polarization curves were tested. The surface appearances were observed.

Keyword：

electroplating; SnAg alloy; solderable coating;

Received： 2000-11-10

在当代电子工业和电器工业中, 可焊性能影响到整机质量, 电镀可焊性镀层能够大大提高电子元件的可焊性能, 使电子元器件生产工艺大为简化, 同时降低生产成本。近年来, 由于波峰焊和自动群焊技术的广泛应用, 对电子元器件 (特别是引线) 可焊性的要求进一步提高, 工业上采取的措施是在元件表面镀覆含铅10%的锡铅合金镀层, 但锡铅合金镀层有其自身的严重弱点。首先, 其外观不如纯锡镀层美观。另外, 有研究结果表明 ^[1,2,3] , 锡铅合金镀层中存在着锡中溶有铅的β固溶体相和铅中溶有锡的α固溶体相, 由于两相间的原电池作用, 合金层表面较纯锡更易于氧化, 抗氧化能力较差, 导致其光泽和可焊性能变劣。而且, 铅的毒害性较强, 随着环保的要求不断提高, 使得其在生产中的应用受到限制。因此, 研究可焊性好、抗氧化性能高, 符合环境保护要求的新型可焊性镀层及其电镀工艺具有生产实际的意义。对此, 本文研究了一种新型可焊性镀层—低含银量的锡银合金电镀工艺, 并考察了其镀层和镀液性能。

1 实验

1.1 镀液配方和镀覆条件

镀覆含银3%的镀液配方和镀覆条件见表1。Hull槽实验采用276 mLHull槽, 总电流为1.0 A (通电10min) 。

1.2 镀液和镀层的分析测试

以原子吸收分光光度法和EDS能量散射谱分析镀液和镀层中二价锡、银和其它物质的含量。

用远近阴极法测定均镀能力、内孔法测定镀液的深镀能力、增重法测定沉积速度、库仑计法测定阴极电流效率。以IBM兼容机通过AD/DA卡控制HDV7C恒电位仪测试阴极极化曲线。

用扫描电镜观测镀层表观形貌, 镀层高温氧化实验条件为190±2℃下放置1 h, 采用离子探针分析镀层高温氧化后表面氧的含量, 以润湿称重法测试镀层可焊性、伏安法测试镀层表面接触电阻。

表1 镀液配方和镀覆条件 Table 1 Bath components and plating conditions

2 实验结果与分析

2.1 电镀工艺

光亮剂由主光亮剂 (芳香醛的衍生物) 、辅助光亮剂 (胺类或肟类) 、低级脂肪醛和表面活性剂组成。图1为Hull槽实验结果, 图中光亮区电流密度范围为0.3～5.0A·dm^-2, 电流密度范围宽广, 对生产实际应用价值。

图1 光亮剂的Hull槽试验结果

Fig.1 Hull cell test results of brighteners

(Graph:A—Bright;B—Half-bright;C—Grey)

Sn-3.0Ag和Sn-10Pb镀层的扫描电镜形貌示于图2。在两种镀液中加入光亮剂后, 镀层结晶均变得细致。Sn-3.0Ag镀层比Sn-10Pb镀层的结晶更为细致。

Sn-3.0Ag和Sn-10Pb两种镀液阴极极化曲线测试结果示于图3。两种镀液中加入光亮剂后, 对阴极极化均有较大程度的影响。Sn-Ag镀液比SnPb镀液的阴极极化率更大, 因此镀层结晶更为细致。由于在电沉积过程中阴极表面的结构十分复杂, 光亮剂在阴极表面的作用机理也难以清晰地描述。一般认为, 由于光亮剂所具有的特殊结构, 其分子 (或离子) 能够在阴极表面产生吸附, 占据金属离子还原时在晶格上的生长点, 使晶粒不能沿原有生长线或生长点长大, 因而在电沉积过程中形成数目众多的细小晶粒, 使镀层致密光亮 ^[9] 。

研究结果表明, 在镀液中其它成分及工艺条件不变的情况下, 镀层中Ag含量随镀液中Ag⁺含量的增加、镀液pH值的降低、镀液中光亮剂浓度的增加和阴极电流密度的减少而增加, 镀液温度对镀层中Ag含量的影响不大。

镀液均镀能力T=92.9%, 深镀能力好, 在25℃下, 阴极电流密度J_k=3A·dm^-2时, 沉积速度为90～110μm·h^-1, 阴极电流效率为99%。

2.2 镀层性能

高温氧化前后的可焊性测试结果表明, 当镀层银含量达到3%以上时, 高温氧化后可焊性能够较好地保持, 确定镀层最佳银含量为3% (Sn-3.0Ag) 。表2示出高温氧化前后Sn-3.0Ag合金镀层与Sn-10Pb合金镀层可焊性的测试结果。

实测润湿力数值越接近理论润湿力数值, 可焊性越好。可见经高温氧化后, Sn-3.0Ag合金镀层可焊性明显优于Sn-10Pb合金镀层。

图4示出采用离子探针分析镀层表面氧量的结果。

经相同条件的高温氧化实验后, Sn-3.0Ag合金镀层表面氧含量大大低于Sn-10Pb合金镀层, 表明Sn-3.0Ag合金镀层抗高温氧化性明显优于Sn-10Pb合金镀层。

图2 镀层的扫描电镜组织

Fig.2 SEM micrographs of coatings

(a) —SnAg without brightener; (b) —SnAg with brightener; (c) —SnPb without brightener; (d) —SnPb with brightener

表2 Sn-3.0Ag镀层与Sn-10Pb镀层可焊性和抗高温氧化能力 Table 2 Solderability test of Sn-3.0Ag and Sn-10Pb coatings (theoretical wetting force:-88×10-5 N)

图3 阴极极化曲线

Fig.3 Cathodic polarization curve

1—SnPb without brightener;2—SnAg without brightener3—SnPb with brightener;4—SnAg with brightener

图4 SnPb镀层和SnAg镀层表面氧含量的纵向分布

Fig.4 Vertical distributions of surface oxygen content

镀层表面接触电阻测量结果Sn-3.0Ag镀层0.0026Ψ, Sn-10Pb镀层0.0043Ψ。Sn-3.0Ag合金镀层接触电阻小, 导电性好。

实验结果表明, 含银3%的锡银合金镀层的可焊性优于锡铅合金镀层其抗高温氧化能力明显优于后者, 表面接触电阻也小于后者。含银量低于3%的镀层, 其抗氧化能力差, 含银量高于3%的镀层, 将造成银资源的浪费。因此选择含银量3%的锡银合金镀层作为可焊性镀层替代锡铅合金镀层。

3 结论

研究了一种新型可焊性镀层—低含银量 (含银3%) 的锡银合金电镀工艺, 选择甲基磺酸亚锡和甲基磺酸银为主盐, 柠檬酸钠、碘化钾和三乙醇胺为络合剂, 研制了镀覆含银量为3%的最佳镀液配方和施镀工艺条件。通过对镀层可焊性、抗高温氧化性能和表面接触电阻等性能的考察, 发现低含银量的锡银合金镀层性能优于锡铅合金镀层, 且镀液成分简单、性能稳定、无毒无害, 具有广阔的应用前景。