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防止錫回流變色的連接器電鍍工藝

基于西方和日本等工業(yè)國家對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)意識(shí)的愈趨增強(qiáng)，歐盟禁止鉛和其它有害物質(zhì)的使用的 WEEE /RoHS指令的生效，以及由中國政府制定的適合自己國情的~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。但對于連接器的純錫電鍍，通常存在以下問題：當(dāng)回流溫度從 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，純錫防止錫回流變色的連接器電鍍工藝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，相對于光亮錫來說霧錫 (無光錫)才是首選?？傊?，即便是霧錫和光亮錫，在回流后錫鍍層的變色也讓人難以接受。因此，也有通過采用鎳層表面再電鍍一層磷鎳 (Ni2 P)合金形成 Ni /Ni2 P雙層鍍層的工藝，來改善鎳層表面純錫的回流變色問題。

錫的回流變色分析

簡單而言，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。不同處理溫度下連接器，在干燥烘烤后的樣品沒有變色，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?。俄歇圖譜表明 ,在 150 ℃下干燥烘烤 24 h后產(chǎn)生的氧化錫厚度約為 50 !。蒸汽老化 12 h后氧化錫約為 250 !，而在 260 ℃回流 3次后，鍍層中氧化膜超過 500 !。這就說明錫處理后的變色與錫氧化物之形成有關(guān)，并且變色來源于氧化層的干擾色。干燥烘烤在相對較低的溫度及水氣下進(jìn)行，因此產(chǎn)生較少的氧化物。而 12 h的蒸汽老化試驗(yàn)后，由于在較高的濕度下進(jìn)行，表面的氧化層也較厚。俄歇圖譜顯示氧化層有恒定的 Sn /O比例，這就說明其表面有大量的結(jié)晶顆粒發(fā)生了氧化反應(yīng)。而在回流過程中，樣品會(huì)經(jīng)過一段超過錫熔點(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。由此說明在回流過程中氧化反應(yīng)主要發(fā)生在疵點(diǎn)區(qū)域及晶粒的邊界。

防止鍍錫層變色的工藝研究

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。比較新工藝產(chǎn)生的錫層和傳統(tǒng)的光亮錫層的晶體取向結(jié)構(gòu)?？芍c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，但不同熱老化處理后的鍍錫連接器照片及其氧化層厚度防止錫回流變色的連接器電鍍工藝是，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題。從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400～500 ! 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 150 !。

以 Ni2 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程中錫的氧化問題，開發(fā)了在錫鍍層的底層上用 Ni2 P合金鍍層替代單一的 Ni鍍層的工藝，取得了令人滿意的效果。

其實(shí)，錫的回流變色與不同金屬互化物的形成緊密相關(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锶鏑uSn和NiSn的緣故。而在鎳層上面覆蓋一層較薄 Ni2 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 ( I MC)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)晶出來的速度，減少了因氧化而帶來的變色問題。

通過后處理來控制錫層表面的氧化

于錫層表面常見的問題包括晶粒排列上的瑕疵、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程中氧化物透過疵點(diǎn)擴(kuò)散進(jìn)鍍層，同時(shí)去除鍍件表面上的殘留物。新的后處理工藝能有效地改善錫鍍層的回流變色問題。

應(yīng)用效果

專業(yè)連接器代理商增城市元茂貿(mào)易有限公司陳工程師表示，以上新工藝已經(jīng)在許多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)通過了 JE2DEC錫須測試。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)過干烤處理，或鍍上鎳底層，在光亮錫和無光錫上有錫須生長的風(fēng)險(xiǎn)都可受到控制。

通過采用一系列不同的方法有效地控制了錫鍍層的回流變色問題。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 (Ni2 P)為底材的錫鍍層能在錫回流過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)，減少了回流過程中因瑕疵而加劇的氧化反應(yīng)。整個(gè)工藝過程包括半光亮錫鍍層、Ni2 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題，達(dá)到了滿意的效果。