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PCB电镀焊料(锡铅合金)工艺介绍

作者:  来源:smt100 

 

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
    组分                  重量 %            克/升       盎司/加仑
氟硼酸铅浓液
    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
    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
    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。
    A  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。
    B  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。
    C  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。
    D  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。
    E  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
    A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。
    B  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
    C  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。
D  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
    A  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。
    B  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。
    C  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。
    D  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。
E  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。
F  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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