电镀锡铜合金技术介绍

　　众所周知，锡铅(Sn-Pb)合金焊料能优异，在电子元器件的组装领域得广泛应用。但是，非常遗憾的是Sn-Pb中的铅对于环境和人体健康有害，限制使用含铅电子材料的活动已正式启动。
　　在欧洲欧洲委员会已提出电子机器弃物条令案的第3次草案明文规定，在2004年的废弃物中严禁有铅Pb、镉Cd、汞Hg和6价铬Cr等有害物质。在亚洲的日本于1998年已制定出家电产品回收法案，从2001年开始生产厂家对已使用过的废弃家电产品履行回收义务。根据这一法案，日本各个家电·信息机器厂家开始励行削减铅使用量的活动。在这样的背景下，强烈要求开发无铅焊接技术和相应的锡铜Sn-Cu合金电镀技术。
　　无铅焊料电镀技术要求
　　关于无铅焊料电镀层和电解液，除了不允许使用含铅物质之外比较难于实现的是要求与以往一直使用的Sn-Pb电镀层有同样的宝贵特性。具体要求的性能，如下所述：(1)环境安全性——不允许有像铅Pb等有害人体健康和污染环境的物质；(2)析出稳定性——获得均匀的外表面和均匀的合金比例；(3)焊料润湿性——当进行耐热试验和高温、高湿试验后，焊料的润湿性仅允许有很小程度的劣化；（4）抑制金属须晶产生；(5)焊接强度粘着性——同焊料材料之间接合可靠性；（6）柔韧性——不发生断裂；（7）不污染流焊槽; （8）低成本；(9)良好的可作业性——主要是指电解容易管理；(10)长期可靠性——即使是长期使用电解液，也能保证电镀层稳定；(11)排水处理——不加特殊的螯合剂(Chelate)，可利用中和凝聚沉淀处理方法清除重金属。
　　在选择无铅焊料电镀技术时，应当综合分析权衡上述诸多因素，选Sn-Pb电镀性能的无铅焊料电镀技术，选择Sn-Cu（合金焊料）电解液的原因作为无铅焊料电镀技术，现已研究很多种，诸如，试图以Sn-Zn、Sn-Bi、Sb-Ag和Sn-Cu电镀取代一直使用的Sn-Pb电镀。然而，这些无铅电镀技术也是各有短、长，并非十全十美。例如，Sn电镀的优点是低成本，确有电子元器采用电镀锡的力方法，因为是单一金属锡，当然不存在电镀合金比率的管理问题。可是，Sn电镀的缺点突出，如像产生金属须晶(Whisker)而且焊料润湿性随时间推移发生劣化。Sn-Zn电镀的长处于在成本和熔点低，美中不足是大气中焊接困难，必须在氮气中实现焊接。Sn-Bi电镀的优势是熔点低而且焊料润湿性优良，其劣势也不胜枚举：因为Bi是脆性金属，含有Bi的Sn-Bi镀层容易发生裂纹，而且组装后的器件引线和电路板焊接界面剥（Liftoff），更麻烦的是电解液中的Bi3+离子在Sn-Bi合金阳极或电镀层上置换沉积。Sn-Ag电镀的优点是接合强度以及耐热疲劳特性都非常好，缺点是成本高，也存在Sn-Ag阳极和Sn-Ag镀层上出现Ag置换沉积现象。
　　上述的无铅电镀技术都有优异的特性，同时也存在很多有待进一步研究的课题，实用化为时尚早。为此，日本上村工业公司认为Sn-Cu电镀最有希望取代Sn-Pb电镀，可以发展成实用化技术，于是决定开发Sn-Cu电解液。关于Sn-Cu电镀层特性，它除了熔点稍许偏高(Sn-Cu共晶温度227℃)之外，润湿性良好。成本低，对流焊槽无污染，而且可抑制金属须晶生成。
　　Sn-Cu合金焊料的开发Sn/Sn2+的标准电极电位是-0．136Vvs．SHE(25℃)，然而Cu/Cu2+是+0．33V，两者之间的电位差比较大，在—般的单纯盐类电解液里，铜Cu很容易优先析出。而且，当用可溶性Sn阳极或者Sn-Cu合金阳极的时候，由于电解液中的Cu2+离子和阳极的Sn之间置换反应产生析出沉表1标准电解液和作业条件(获得sn-lwt%Cu镀层的情况积。因此，把电解液中的Sn2+和Cu2+的析出电位搞得相接近，需要有抑制铜Cu优析出的络合剂。通过研究各种各样的络合剂，最后终于找到Sn-Cu电解液配方，它能使Sn和Cu形成合金并可抑制在铜Cu阳极上的置换沉积。在这种电解液的基础出上，开发出镀层特性优良的Sn-Cu合金电解液“Soft Alloy GTC”，将在下文详细介绍。