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摘要：  基于西方和日本等工業(yè)圍家對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)意識(shí)的愈趨增強(qiáng)，目前在集成線路/引線框、被動(dòng)元器件和連接器行業(yè)中，純錫電鍍已經(jīng)成為一種廣為接受的錫鉛電鍍的替代品。

1、前言

基于西方和日本等工業(yè)圍家對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)意識(shí)的愈趨增強(qiáng)，歐盟(Ec)的禁止鉛(Pb)和其它有害物質(zhì)的使用的wEEE/ROHS指令的生效，以及由中國(guó)政府制定的適合自己國(guó)情的“RoHS”法令的即將強(qiáng)制執(zhí)行，目前在集成線路/引線框、被動(dòng)元器件和連接器行業(yè)中，純錫電鍍已經(jīng)成為一種廣為接受的錫鉛電鍍的替代品。但對(duì)于連接器的純錫電鍍，通常存在以下問(wèn)題：當(dāng)同流溫度從235℃提高到260℃時(shí)會(huì)導(dǎo)致錫變色。而變色后的錫鍍層會(huì)呈現(xiàn)較差的外觀，從而導(dǎo)致產(chǎn)品最終不被用戶所接受。

盡管純錫已經(jīng)成為一種廣為接受的錫鉛可焊性表面的替代品，但是在汽車工業(yè)和消費(fèi)工業(yè)中，純錫的電鍍工藝還是有區(qū)別的。光亮錫電鍍的連接器由于有更好的外觀和在熱老化后有更佳的可焊性能而廣泛應(yīng)用于電腦、手機(jī)和其它消費(fèi)性電子產(chǎn)品中。但是，在汽車工業(yè)中，出于產(chǎn)品可靠性的考慮，相對(duì)于光亮錫來(lái)說(shuō)霧錫(無(wú)光錫)才是首選?？傊幢闶庆F錫和光亮錫，在回流后錫鍍層的變色也讓人難以接受。因此，筆者通過(guò)采用鎳層表而再電鍍一層磷鎳(Ni-P)合金形成Ni/Ni-P雙層鍍層的工藝，有效地改善了鎳層表面純錫的回流變色問(wèn)題，滿足了客戶的需求。

2、錫的回流變色分析

簡(jiǎn)單而言，錫的回流變色與錫氧化層的厚度有莫大的關(guān)系。當(dāng)對(duì)光亮錫進(jìn)行不同的熱處理時(shí)，會(huì)因不同的熱處理?xiàng)l件而產(chǎn)生不同厚度的氧化層。圖2為不同處理溫度下連接器的照片及其俄歇圖譜。

由圖2可見(jiàn)，在干燥烘烤后的樣品沒(méi)有變色，蒸汽老化試驗(yàn)后的樣品變黃，而在260℃回流3次后的樣品則變?yōu)樽仙?。圖2中的俄歇圖譜表明，在150℃下干燥烘烤24h后產(chǎn)生的氧化錫厚度約為50Å，蒸汽老化12h后氧化錫約為250Å，而在260℃回流3次后，鍍層中氧化膜超過(guò)500Å。這就說(shuō)明錫處理后的變色與錫氧化物之形成有關(guān)，并且變色來(lái)源于氧化層的干擾色。干燥烘烤在相對(duì)較低的溫度及水氣下進(jìn)行，因此產(chǎn)生較少的氧化物。而12h的蒸汽老化試驗(yàn)后，由于在較高的濕度下進(jìn)行，表而的氧化層也較厚。俄歇圖譜顯示氧化層有恒定的sn/0比例，這就說(shuō)明其表面有大量的結(jié)晶顆粒發(fā)生了氧化反應(yīng)。而在回流過(guò)程中，樣品會(huì)經(jīng)過(guò)一段超過(guò)錫熔點(diǎn)的溫度區(qū)域，其中鍍層達(dá)到熔融狀態(tài)。其俄歇圖譜顯示盡管在氧化層有比較低的氧含量，但是它卻存在于鍍層的深入處。由此說(shuō)明在回流過(guò)程中氧化反應(yīng)主要發(fā)生在疵點(diǎn)區(qū)域及晶粒的邊界。

3、防止鍍錫層變色的工藝研究

3.1調(diào)整晶粒和碳含量

研究發(fā)現(xiàn)，更大的結(jié)晶粒度、更低的晶粒邊界密度和共沉積碳含量均有助于控制錫的回流變色。因此，新工藝采用了調(diào)整晶粒和碳含量的方法。圖3比較了新工藝產(chǎn)生的錫層和傳統(tǒng)的光亮錫層的晶體取向結(jié)構(gòu)。由圖3可知，與傳統(tǒng)光亮錫相比，盡管新的錫處理工藝所得的錫層具有較大的結(jié)晶顆粒，但是，其光亮程度還是可以和傳統(tǒng)光亮錫相比。

由于新的半光亮錫具有更大的結(jié)晶粒度和更低的晶粒邊界密度，因而表現(xiàn)出更少的回流變色問(wèn)題(見(jiàn)圖4)。從圖4中的俄歇電子縱深分析圖譜可以看出，在260℃下回流3次后，傳統(tǒng)光亮錫表面會(huì)產(chǎn)生400～500Å的氧化層，而相應(yīng)的半光亮錫產(chǎn)生的表面氧化層卻少于150Å。

3.2以Ni-P合金作為鍍層底層

在某種特定條件下，例如槽液老化、運(yùn)行電流密度過(guò)高和多次回流循環(huán)等，由新工藝生產(chǎn)的半光亮錫仍然會(huì)產(chǎn)生錫的變色現(xiàn)象。為了有效地控制回流過(guò)程中錫的氧化問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了在錫鍍層的底層上用Ni-P合金鍍層替代單一的Ni-P鍍層的工藝，取得了令人滿意的效果。不同基材上錫鍍層的同流變色情況如圖5所示。

其實(shí)，錫的回流變色與不同金屬互化物(IMc)的形成緊密相關(guān)。如在回流時(shí)，銅及其合金表面上的錫鍍層就不會(huì)有明顯的變色問(wèn)題。但是，鎳底材上的錫鍍層在回流時(shí)，通常就會(huì)產(chǎn)生錫的回流變色現(xiàn)象。這是因?yàn)樗鼈冃纬闪瞬煌慕饘倩セ锶鏲usn和NiSn的緣故。而在鎳層上面覆蓋一層較薄Ni-P鍍層后，錫的回流性能可得到改善。原因可能是由于在Ni/Sn交界處形成的金屬互化物(IMc)其形態(tài)有所改變，從而加快了錫在回流時(shí)從融熔狀態(tài)中結(jié)晶出來(lái)的速度，減少了因氧化而帶來(lái)的變色問(wèn)題。

3.3通過(guò)后處理來(lái)控制錫層表面的氧化

于錫層表面常見(jiàn)的問(wèn)題包括品粒排列上的瑕疵、氣泡疤痕或針孔等，而這些疵點(diǎn)會(huì)加劇電鍍層的氧化反應(yīng).研究表明，一種新的后處理工藝可以減少表面疵點(diǎn)發(fā)生的氧化風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)的堿式后處理工藝旨在中和鍍件表面的酸性殘留物，以便將其它殘留物從鍍件上沖洗干凈。而新的后處理工藝則在去除表面疵點(diǎn)從而減少在高溫回流過(guò)程巾氧化物透過(guò)疵點(diǎn)擴(kuò)散進(jìn)鍍層，同時(shí)去除鍍件表面上的殘留物。兩種不同的后處理工藝效果如圖6所示。圖6表明，新的后處理工藝能有效地改善錫鍍層的回流變色問(wèn)題。

3.4應(yīng)用效果

以上新工藝已經(jīng)在連接器純錫電鍍生產(chǎn)線上得到了應(yīng)用。以該工藝生產(chǎn)出的樣品已經(jīng)通過(guò)了JE.DEc錫須測(cè)試(如圖7所示)實(shí)驗(yàn)。

有文獻(xiàn)報(bào)道，光亮錫生成錫須的可能性很大.但是如果經(jīng)過(guò)干烤處理，或鍍上鎳底層，在光亮錫和無(wú)光錫上有錫須生長(zhǎng)的風(fēng)險(xiǎn)都可受到控制。圖7驗(yàn)證了該結(jié)果。

4、結(jié)論

通過(guò)采用一系列不同的方法有效地控制了錫鍍層的同流變色問(wèn)題。其中，包括采用具有更大結(jié)晶粒度和更小晶粒邊界密度的半光亮錫替代傳統(tǒng)具有很細(xì)結(jié)晶粒度的光亮錫，使錫層的回流變色情況得到改善;以磷鎳(Ni—P)為底材的錫鍍層能在錫回流過(guò)程中形成金屬互化物，這種金屬互化物能改善錫的結(jié)晶性能，減少回流變色;最后，通過(guò)采用酸式后處理工藝有選擇性的去除表面疵點(diǎn)，減少了回流過(guò)程中因瑕疵而加劇的氧化反應(yīng)。

整個(gè)工藝過(guò)程包括半光亮錫鍍層、Ni—P底材和酸式后處理工藝，它們能相輔相成地減少連接器應(yīng)用中的氧化現(xiàn)象和錫鍍層的回流變色問(wèn)題，達(dá)到了滿意的效果。與連接器生產(chǎn)者的合作證明，整個(gè)新式生產(chǎn)流程能控制鍍錫生產(chǎn)過(guò)程中的回流變色問(wèn)題。JEDEc錫須測(cè)試實(shí)驗(yàn)也證明了采用本工藝生產(chǎn)出的錫層其錫須風(fēng)險(xiǎn)可受控制。