高速純錫鍍層回流焊變色原因和控制對(duì)策

孫紅旗*，孫江燕賀巖峰

（1.上海新陽半導(dǎo)體材料有限公司，上海 201616；2.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012）

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高速純錫鍍層回流焊變色原因和控制對(duì)策

孫紅旗1，*，孫江燕1，賀巖峰1，2

（1.上海新陽半導(dǎo)體材料有限公司，上海 201616；2.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012）

探討了高速純錫鍍層回流焊變色的原因，分析了框架基材和電鍍條件對(duì)鍍層回流焊變色的影響，提出了調(diào)整電鍍工藝條件、加強(qiáng)鍍液維護(hù)、采取適當(dāng)鍍后處理等控制鍍層回流焊變色的措施。

純錫鍍層；高速電鍍；回流焊；變色；后處理

First-author's address: Shanghai Sinyang Semiconductor Materials Co.， Ltd.， Shanghai 201616， China

隨著無鉛化進(jìn)程的推進(jìn)，目前純錫電鍍或無鉛合金電鍍?cè)诩呻娐芬€框架、被動(dòng)元器件和連接器行業(yè)已經(jīng)成為一種廣為接受的錫鉛電鍍的替代品［1］。但無鉛純錫回流焊溫度比錫鉛回流焊溫度要高，當(dāng)回流焊溫度從235 °C提高到260 °C時(shí)，純錫鍍層在回流焊過程中容易發(fā)生變色［2］。因此，探索與解決純錫鍍層回流焊變色問題對(duì)電子封裝無鉛制程相當(dāng)重要。本文主要對(duì)高速純錫鍍層回流焊變色原因進(jìn)行分析，并提出了一些行之有效的抑制鍍層回流焊變色的方法。

鍍層回流焊變色的直接原因是純錫鍍層表面氧化［3］，即高溫情況下鍍層表面發(fā)生氧化變色，表現(xiàn)為鍍層在回流焊條件下（對(duì)純錫鍍層而言，峰值溫度為260 °C）處理一定時(shí)間后鍍層表面變色，從黃色到棕色，甚至紫色。當(dāng)對(duì)純錫鍍層進(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，回流焊工藝溫度和時(shí)間直接影響到鍍層的可靠性和變色程度［4］。有關(guān)資料［5］顯示，回流焊變色程度與純錫鍍層表面氧化層厚度有關(guān)，隨著純錫鍍層表面氧化層加厚，鍍層顏色從淺黃色到棕色逐漸加深。變色會(huì)影響鍍層可焊性或引起貼裝故障，許多用戶不能接受。

1　回流焊變色的原因分析

1. 1 框架基材雜質(zhì)分析

對(duì)回流焊后鍍層變色和不變色所用的銅框架基材進(jìn)行掃描電鏡（SEM）觀察，發(fā)現(xiàn)不變色框架表面相對(duì)均勻，而變色框架表面有裂紋等缺陷，局部出現(xiàn)異常的凸起或者凹坑（如圖1所示）。

如圖 2所示，X射線能譜（EDS）分析結(jié)果顯示，回流焊后不變色框架基材上不同區(qū)域元素組成類似，主要含Cu元素，還有少量的C和Fe元素?；亓骱负笞兩蚣芑牟煌瑓^(qū)域分析結(jié)果有很大差別，正常區(qū)域只檢測(cè)到Cu元素，異常區(qū)域則檢測(cè)到Zn、Si、Mg、Cl、S等雜質(zhì)元素。純錫在不同元素上的電沉積過電位不同，基材中雜質(zhì)偏多會(huì)在電鍍過程中引起更多鍍層缺陷，導(dǎo)致鍍層回流焊變色。

圖1 框架基材的SEM照片F(xiàn)igure 1 SEM images of leadframe substrates

圖2 框架基材的EDS分析結(jié)果Figure 2 EDS analysis results of leadframe substrates

1. 2 回流焊后的鍍層分析

圖3 回流焊后錫鍍層表面的SEM照片F(xiàn)igure 3 Surface SEM images of Sn coatings after reflow

如圖3所示，回流焊后不變色樣品鍍層表面均勻、平整，而回流焊后變色樣品鍍層表面有很多異常孔洞，外觀有褶皺、不平整。這些孔洞及皺褶可能是由于殘留在鍍層缺陷、孔隙或者基體與鍍層界面處的化學(xué)藥水在高溫（200 ～ 270 °C）下汽化膨脹所致。當(dāng)產(chǎn)生的氣體足夠多時(shí)，會(huì)沖破鍍層而產(chǎn)生孔洞；產(chǎn)生的氣體不足以沖破鍍層時(shí)，會(huì)引起回流焊后鍍層表面出現(xiàn)“褶皺狀”。這說明鍍層的結(jié)晶缺陷和孔隙也是影響回流焊變色的一個(gè)重要原因。

對(duì)回流焊后不變色樣品鍍層進(jìn)行EDS檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)鍍層中雜質(zhì)含量很少，主要含Sn元素?；亓骱负笞兩珮悠返腻儗颖砻嬗休^多雜質(zhì)，O含量達(dá)到19.12%，說明變色是由于Sn層氧化引起。除此之外，還檢測(cè)到C（4.37%）、Cl（1.17%）、Cu（1.67%）、N（1.87%）等雜質(zhì)元素。在高溫條件下這些雜質(zhì)均會(huì)促進(jìn)錫層氧化或者與錫形成化合物而導(dǎo)致鍍層變色。

回流焊后鍍層斷面的金相照片（圖4）顯示，回流焊后不變色的鍍層與基材結(jié)合緊密，而回流焊后變色的鍍層在與基材交界處粗糙、疏松，有明顯的孔洞，鍍層與基材之間有明顯的縫隙。這可能是由于鍍層或基材缺陷中夾雜的鍍液或者雜質(zhì)在回流焊過程中因高溫汽化膨脹所致。結(jié)合圖1的SEM結(jié)果，進(jìn)一步印證了涉及到基材質(zhì)量的基材表面缺陷、孔隙等是引起回流焊變色的重要原因。

1. 3 影響回流焊變色的其他因素

1. 3. 1 電流密度的影響

電流密度受Sn2+濃度影響較大。不同Sn2+濃度下都有合適的電流密度范圍，Sn2+濃度越高，電流密度范圍越寬。電鍍時(shí)電流密度超過適宜范圍，鍍層結(jié)晶疏松，致密度下降，回流焊后容易變色。

1. 3. 2 鍍液渾濁的影響

純錫鍍液中的二價(jià)錫被空氣中的氧所氧化而形成四價(jià)錫，四價(jià)錫水解成錫酸，錫酸與二價(jià)錫、有機(jī)物等形成復(fù)雜的膠團(tuán)結(jié)構(gòu)，使鍍液發(fā)生渾濁［6］。膠團(tuán)在通電時(shí)會(huì)向陰極移動(dòng)，并與錫一起沉積在鍍層上（見圖5），使鍍層中的有機(jī)雜質(zhì)增加，這些有機(jī)雜質(zhì)在回流焊條件下會(huì)促使鍍層變色。

圖5 不同鍍液中所得錫鍍層的SEM照片F(xiàn)igure 5 SEM images of Sn coatings electroplated from different baths

1. 3. 3 后處理的影響

后處理對(duì)回流焊變色也有很大影響。上海新陽半導(dǎo)體材料股份有限公司開發(fā)的純錫鍍層防變色劑 SYT871對(duì)防止回流焊變色效果顯著，使用后可以明顯地消除回流焊變色現(xiàn)象（見圖6）。不同于傳統(tǒng)堿性后處理，SYT871防變色劑不僅能清除鍍層表面吸附或夾雜的有機(jī)物，而且可以減少表面結(jié)晶缺陷和孔隙，去除孔隙中的金屬雜質(zhì)（如銅等），從而起到防止回流焊變色的效果。

圖6 錫鍍層經(jīng)不同后處理的回流焊結(jié)果Figure 6 Reflow results of Sn coatings with different post-treatments

2　控制回流焊變色的對(duì)策

根據(jù)前面的分析可知，基材質(zhì)量和鍍層質(zhì)量是影響純錫鍍層回流焊變色的主要原因。所以，可以采取以下幾條措施控制鍍層回流焊變色：

（1） 選擇質(zhì)量好的引線框架，減少引線框架基材表面的缺陷和雜質(zhì)。

（2） 通過調(diào)整工藝條件（主要是 Sn2+濃度、電流密度、添加劑等），改善鍍層的結(jié)晶性能，減少鍍層缺陷、孔隙等弊病。

（3） 平時(shí)做好電鍍槽的維護(hù)工作，防止鍍液渾濁。如果鍍液發(fā)生渾濁，要及時(shí)進(jìn)行絮凝處理。

（4） 加強(qiáng)電鍍后清洗，保證鍍層清洗干凈。

（5） 對(duì)于一些易變色的引線框架，可以使用防変色剤（例如SYT871）進(jìn)行后處理。

［1］ GANESAN S， PECHT M. Lead-free electronics ［M］. Hoboken， NJ： John Wiley &Sons， Inc.， 2006： 44-45.

［2］ WHITLEY J H. The tin commandments ［J］. Plating and Surface Finishing， 1981， 68 （10）： 38-39.

［3］ YU Y S， LEE H J， KIM H J， et al. Discoloration of pure tin （Sn） surface finish caused by surface oxidation ［J］. Microscopy and Microanalysis， 2007，13 （Supplement S02）： 1128-1129.

［4］ HUANG W， LOMAN J M， SENER B. Study of the effect of reflow time and temperature on Cu-Sn intermetallic compound layer reliability ［J］. Microelectronics Reliability， 2002， 42 （8）： 1229-1234.

［5］ CROSBY J， LAU D. Low-carbon bright pure tin process for electrical connectors ［J］. Galvanotechnik， 2005， 96 （2）： 3l1-322.

［6］ 賀巖峰， 孫江燕， 張丹. 無鉛純錫電鍍中的若干問題［J］. 電子工藝技術(shù)， 2007， 28 （1）： 20-23， 27.

［ 編輯：溫靖邦 ］

Causes for reflow discoloration of pure tin coatings in high-speed electroplating and control countermeasures

SUN Hong-qi*， SUN Jiang-yan， HE Yan-feng

The causes of reflow discoloration of high-speed electroplated pure tin coatings were analyzed. The effects of leadframe substrate and electroplating conditions on such reflow discoloration phenomenon were discussed. Some countermeasures were proposed for control of discoloration of pure tin coatings after reflow， such as adjusting electroplating conditions， strengthening bath maintenance， and using appropriate post-treatment.

pure tin coating； high-speed electroplating； reflow； discoloration； post-treatment

TQ153.13； TG178

B

1004 - 227X （2016） 15 - 0808 - 04

2016-05-20

2016-07-08

孫紅旗（1983-），男，河南人，本科，從事電子電鍍研究。

作者聯(lián)系方式：（E-mail） zzulisun@126.com。