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电镀锡铜合金技术原理

发布时间:2020-12-17 17:56人气:

锡铅(SN-PB)合金焊料性能优良,广泛应用于电子元件装配领域,但非常遗憾的是,SN-PB中的铅对环境和人类健康有害,并且已经正式启动了限制使用含铅电子材料的活动。
 
第3份草案规定,禁止在2004年欧洲理事会提出的电子机械弃物命令案中使用铅PB、镉CD、汞HG和6价铬CR等有害物质。日本于1998年制定了亚洲家电回收法,自2001年起,制造商就对已经使用过的废弃家电产品履行回收义务。在这个法案下,日本各家电·信息机械制造商开始鼓励银行减少铅的使用,正是在这种背景下,提出了发展无铅焊接工艺及相应的锡铜SN-CU合金电镀工艺的需求。
 
关于无铅焊料电镀技术要求无铅焊料电镀层和电解液,除了不允许使用含铅物质外,较难实现的是要求其具有与以往使用的SN-PB电镀层相同的宝贵特性。
 
对性能的具体要求如下所述:
 
(1)环境安全性--不允许有铅PB等对人体健康和环境有害的物质;
(2)析出稳定性--获得均匀的外观和均匀的合金比例;
(3)焊料润湿性--进行耐热试验和高温、高湿试验后,只允许焊料有很小程度的润湿性;
(4)抑制金属须晶的产生;
(5)焊接强度--焊料的粘结性--焊料与焊料之间的粘结性;
(6)韧性--不断裂;
(7)不污染流焊槽;
(8)低成本;
(9)良好的可用性--主要是指易于管理;
(10)长期可靠性--即使长期使用电解液,也能确保电镀层稳定;
(11)排水处理--不使用沉淀法去除重金属。
 
选用SN-PB电镀性能优良的无铅焊料,以及选用SN-CU(合金焊料)电镀SN-CU(无铅焊料)电解液,是目前许多无铅焊料电镀技术的研究方向,其中包括试图用SN-ZN、SN-BI、SB-AG和SN-CU电镀代替SN-PB电镀。但这些无铅电镀工艺也各有其短长,并非完美无瑕。比如,SN电镀的优点是成本低,确实有电子器件采用锡镀法,由于是单金属锡,当然没有电镀合金比的管理问题。
 
但是,SN电镀的缺点很明显,例如,像产生金属须晶(WHISKER),而且焊料的润湿性随着时间的推移而下降。由于SN-ZN电镀长时间存在着成本和熔点低、焊缝无美中不足等问题,因此必须实现氮气焊接。BI电镀的优点是熔点低,焊料润湿性好,缺点也很明显:由于BI是脆性金属,含BI的SN-BI镀层易产生裂纹,且装配后的器件引线和电路板焊接界面剥离(LIFTOFF),更麻烦的是在SN-BI合金阳极或电镀层上电解液中的BI3+离子置换沉积。AG镀层具有良好的接合强度和抗热疲劳性能,缺点是成本较高,同时存在SN-AG阳极和SN-AG镀层AG置换沉积现象。
 
无铅电镀技术具有优良的性能,但仍有许多问题需要深入研究,目前实现还为时过早。因此,日本上村工业公司认为,SN-CU电镀最有希望取代SN-PB电镀,并发展成为实用技术,因此决定开发SN-CU电镀。CU镀层除有轻微的熔点偏高(SN-CU共晶温度227℃)外,还具有良好的润湿性。价格低廉,对流焊槽无污染,并能抑制金属须晶的形成。
 
CU合金焊料开发SN/SN2+的标准电极电位为-0.136VVS.SHE(25℃),而CU/CU2+为+0.33V,这两种电极电位之间存在较大的电位差,在类似于纯盐的电解液中,CU很容易优先析出铜CU。
 
此外,在使用可溶性SN阳极或SN-CU合金阳极时,由于CU2+离子在电解液中与阳极SN之间的置换反应,会产生沉淀沉降表1标准电解液和工作条件(形成SN-LWT%CU镀层)。所以要使SN2+和CU2+在电解液中的析出电位接近,就需要配以络合剂来抑制铜CU最佳析出。CU电解液的配方最终被发现,通过研究各种络合剂,SN和CU可以形成合金,并且可以抑制置换沉积到铜CU阳极。

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