金錫合金具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能和機(jī)械性能，較低的熔點(diǎn)和回流溫度，熔化后黏度低、潤(rùn)濕性好，焊接無需助焊劑等優(yōu)點(diǎn) ，被廣泛應(yīng)用于大功率散熱元器件的裝配和封裝，如 LED(發(fā)光二極管)、激光二極管、RF(射頻)功放、氣密封裝、半導(dǎo)體芯片三維堆疊等。

金錫合金的制備方法主要包括焊膏回流、焊料預(yù)制片、蒸發(fā)、磁控濺射、交替電鍍、合金電鍍等。綜合考慮成本、工藝難度、與微小尺寸電路兼容性等因素，合金電鍍是最優(yōu)選擇。本文主要探討了影響金錫合金鍍層的主要因素，引入數(shù)控雙脈沖電源和超聲裝置，結(jié)合電鍍夾具、電鍍工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)測(cè)量方法，根據(jù)測(cè)量結(jié)果調(diào)整鍍液離子濃度、電流密度、電鍍時(shí)間等參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)鍍層性能、厚度和組分比例的目標(biāo)值。

一、電鍍?cè)O(shè)備

一般的電沉積主要是采用直流電源進(jìn)行電鍍，就是將直流電與一定組分的混合電解質(zhì)溶液連通后，應(yīng)用相關(guān)的電化學(xué)原理 (即通過電解的作用)，來使目標(biāo)金屬或目標(biāo)合金在特定或是需要的零件表面進(jìn)行沉積，然后形成均勻、致密、表面結(jié)合好的純金屬或是合金鍍層，從而使目標(biāo)零件具有更好的裝飾性，或是更強(qiáng)的防護(hù)性甚至是獲得更加全面的功能性，該過程是一個(gè)包含了物理與化學(xué)的復(fù)雜過程。

如圖1所示的電鍍過程中電流回路示意圖，從圖中可見，電流從電源的正極流出，經(jīng)過金屬導(dǎo)線而流入鍍金錫合金的陽極，再流入金錫合金電鍍液，然后從溶液流到待鍍件，最后經(jīng)金屬導(dǎo)線返回到電源的負(fù)極，完成一個(gè)回路的流通。

此處引入雙脈沖數(shù)控電源，相比于直流電的電沉積模式，脈沖電沉積金屬合金的過程中，因?yàn)榘l(fā)生了電流的導(dǎo)通與斷開，極大地改善了電鍍液在陰極區(qū)所產(chǎn)生的極化效應(yīng)。

圖1電沉積過程中電流的回路示意圖

如圖2是在攪拌和加熱的雙重作用條件下進(jìn)行的脈沖電鍍金錫合金的電沉積過程示意圖。將脈沖數(shù)控的電源正負(fù)極分別連接到電鍍槽中的陽極和陰極。通過恒溫恒速磁力攪拌器對(duì)電鍍液進(jìn)行加熱、攪拌。其中，加熱溫度設(shè)置為 40 ℃，攪拌速率為 250 rpm。此過程中，隨著電沉積時(shí)間的延長(zhǎng)，陰極上會(huì)附著大量的氣泡，導(dǎo)致電沉積過程中的陰極區(qū)析出的金屬鍍層存在空洞、裂紋等缺陷。

圖2電沉積制備金錫合金攪拌與加熱同時(shí)進(jìn)行的示意圖

如圖3，在超聲波輔助的條件下進(jìn)行的脈沖金錫合金的電沉積。將脈沖數(shù)控的電源正負(fù)極分別連接到電鍍槽中的陽極和陰極。因?yàn)樵谑覝?、加熱下的攪拌都存有或多或少的氣泡附著，因此通過超聲波的震動(dòng)的作用來消除陰極氣泡的產(chǎn)生。

圖3電沉積制備金錫合金超聲輔助的示意圖

二、電鍍夾具

電鍍合金與電鍍單一金屬最大的不同在于電流密度不僅影響鍍層的厚度，還直接影響合金中各組分的比例。因此，為了保證電鍍金錫合金版內(nèi)和版間的一致性，電鍍夾具的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。斯利通陶瓷基板整理

為了降低夾具自身電阻對(duì)電流密度的影響，采用鈦包銅材料對(duì)主體框架進(jìn)行加工。為使電流在版內(nèi)均勻分布，一般采用多點(diǎn)加電的方式。以 2 in(約 5.08 cm)方片為例，至少需 4 點(diǎn)加電(見圖4)。

圖4電鍍夾具示意圖

因待鍍面積有限，故除電鍍夾具觸點(diǎn)外都要包膠，避免存在漏電點(diǎn)。夾具上設(shè)置鍍液交換孔，保證待鍍產(chǎn)品表面的離子濃度與鍍液一致。

三、電鍍工藝參數(shù)

電鍍金錫合金的典型工藝參數(shù)見表1。溫度一般設(shè)定在推薦的最優(yōu)值。pH 可以采用廠家推薦的酸堿溶液進(jìn)行調(diào)整，但要注意 pH 是工作溫度下的實(shí)測(cè)值，非室溫值。

表1電鍍金錫的典型工藝參數(shù)

四、電鍍液濃度調(diào)整

為了保證金錫合金比例，每班都需要對(duì)鍍液中 Au + 和 Sn 2+ 含量進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整鍍液。

Au + 和錫離子(包括 Sn 2+ 和 Sn 4+ )可用 ICP(電感耦合等離子體)或 AAS(原子吸收光譜法)進(jìn)行分析。一般采用滴定法分析 Sn 2+ 的濃度，先配制待分析液(10 mL 槽液 + 50 mL 去離子水 + 30 mL 濃鹽酸)，再采用溴化鉀溶液(Br ? 0.05 mol/L，當(dāng)量濃度 0.1 N)進(jìn)行滴定，利用 ORP 計(jì)(氧化還原電位計(jì))觀察氧化還原電位，當(dāng)電位發(fā)生突變時(shí)就是滴定的終點(diǎn)，然后計(jì)算 Sn 2+ 的質(zhì)量濃度[ρ(Sn 2+ )]。分析出的錫離子質(zhì)量濃度[ρ(總錫)]減去ρ(Sn 2+ )即得四價(jià)錫離子質(zhì)量濃度[ρ(Sn 4+ )]，從而判斷槽液中二價(jià)錫的氧化速率，并預(yù)估槽液壽命。

五、產(chǎn)品分批電鍍

當(dāng)鍍件的待鍍面積相差懸殊時(shí)，不可同一批混鍍，否則不同待鍍面積鍍件表面分布的實(shí)際電流密度相差很大，導(dǎo)致金錫合金組分相差懸殊，極易造成鍍層性能差和產(chǎn)品合格率偏低。將待鍍面積為 392 mm 2的圖形電鍍方片與待鍍面積為 2 500 mm 2 的整版鍍件進(jìn)行同批次電鍍，并如圖 5、6所示分析各自不同位點(diǎn)的金錫合金層厚度和組成。圖形電鍍產(chǎn)品合金中 Au 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(75 ± 1)%，厚度為(7.5 ± 1) μm，整版電鍍產(chǎn)品合金中 Au 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(80.5 ± 2)%，厚度為(5.7 ± 1) μm。可見，雖然 2 種產(chǎn)品是同批次電鍍，但它們的金錫合金鍍層組分和厚度相差懸殊。因此，在電鍍之前應(yīng)根據(jù)電鍍面積對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分類，待鍍面積相近的產(chǎn)品方可同批次電鍍。

圖5圖形電鍍產(chǎn)品的測(cè)試點(diǎn)分布

圖6整版電鍍產(chǎn)品的測(cè)試點(diǎn)分布

六、電鍍金錫合金性能檢驗(yàn)

金錫合金鍍層的2個(gè)主要性能指標(biāo)就是合金組分比和厚度。這兩個(gè)指標(biāo)都可采用 XRF 進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)精度取決于建立程序所使用的標(biāo)樣。金錫合金的種子層一般為 Au，厚度約 0.5 μm，種子層下方為焊接阻擋層，可選擇 Ni、Pt、Pd 等。在建立測(cè)試分析程序時(shí)，需要考慮金種子層的厚度，因?yàn)槠渲苯佑绊懛治鼋Y(jié)果。裝配的元器件或腔體、載板等表面鍍層也是 Au，因此焊接時(shí)電鍍金錫合金的組分會(huì)發(fā)生變化(Au含量升高)。為了保證金錫合金在 280 ~ 320 °C 內(nèi)可以熔化并可返修，基板表面電鍍金錫層需要富錫，具體組分比例要根據(jù)金種子層的厚度和待裝配元器件的金層厚度來確定。

利用 XRF 分析鍍層后，還需要用熱臺(tái)做輔助考核，考核氣氛為 N 2 ，溫度一般設(shè)置為 310℃。金錫合金熔化后表面光亮，與種子層浸潤(rùn)的面積分?jǐn)?shù)大于 95%時(shí)為合格。

陶瓷基板金錫合金電鍍工藝難度較大，設(shè)備、電鍍夾具、電鍍工藝參數(shù)都會(huì)影響合金比例。在引入數(shù)控雙脈沖電源和超聲裝置的同時(shí)，要根據(jù)電鍍產(chǎn)品的特點(diǎn)來合理設(shè)計(jì)電鍍夾具，使電流密度均勻分布，保證版內(nèi)和版間合金組分的一致性，并且，還要根據(jù)待鍍面積的不同，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分類分批電鍍，最后利用 XRF 進(jìn)行鍍層分析和熱臺(tái)輔助驗(yàn)證，通過調(diào)整電流密度、鍍液離子濃度、電鍍時(shí)間等使合金組分達(dá)到目標(biāo)值。

參考文獻(xiàn)：

電鍍金錫合金的影響因素 《電鍍與涂飾》

審核編輯 黃宇