鍍錫工藝鍍層變色的原因分析及改善

王成剛

摘要：鍍錫工藝已成為半導體封裝表面處理的主流工藝，基本取代了原有的搪錫工藝，它具有生產(chǎn)效率高，污染小，成本低等諸多有點。在生產(chǎn)過程中，工藝控制不好就會出現(xiàn)鍍層發(fā)黃、發(fā)黑、發(fā)藍等鍍層變色問題，通過對鍍層變色原因的分析，優(yōu)化電鍍工藝，完善維護保養(yǎng)方法，達到焊錫層均勻致密，可焊性好，表面美觀的質量要求。

關鍵詞：鍍層變色、氧化膜、鈍化膜、錫離子、酸離子、甲基磺酸

0引言

電鍍鍍層變色，主要的現(xiàn)象就是電鍍錫層在某些條件下，出現(xiàn)發(fā)黃，發(fā)藍甚至發(fā)黑而失去了鍍層原始潔白的顏色。從而影響外觀，甚至鍍層的可焊性等功能。

1、電鍍層變色的原因

首先是鍍層沾污，在電鍍完成后，有某些雜質如果附著在鍍層表面（如某些油脂類雜質），會在鍍層經(jīng)過高溫烘干后，形成黑色或黃色的沾污;其次是電鍍層本身的問題，由于電鍍?nèi)芤旱墓に嚄l件發(fā)生異常，造成鍍層發(fā)黑，發(fā)花，甚至發(fā)生燒焦和粗糙，也會造成電鍍層變色;最后是由于電鍍鍍層表面由于清洗問題導致有酸，堿等物質殘留，經(jīng)過長時間存儲而在鍍層表面產(chǎn)生氧化膜或鈍化膜等，造成變色。最后一種情況則是目前電鍍鍍層變色的主要原因，也是我們主要討論和研究的方向。

其次是氧化膜和鈍化膜的形成鍍層表面形成的氧化膜或鈍化膜的原理，簡單說就是錫在空氣中，與空氣中的氧作用生成氧化膜或鈍化膜。而由于這層膜的存在，會導致鍍層表面熔融溫度升高，導致正常的焊接被阻擋，嚴重影響可焊性。尤其在目前的電子行業(yè)中，出于對整個電路板的其他元器件產(chǎn)生影響，有很多客戶的所采用的焊接溫度都很難達到245度，由于錫鍍層的熔化溫度是237度，如果焊接溫度低于245度，錫鍍層的表面達不到熔化狀態(tài)，因此會導致嚴重的焊接性不良。因此對于鍍層的變色，需要謹慎對待。

2、解決鍍層變色的主要辦法

根據(jù)鍍層發(fā)生變色的原理，我們可以根據(jù)相應的狀況來進行調(diào)整與改善。從變色的主要原因分析，鍍層表面如果含有未清洗干凈的雜質，是很容易造成鍍層表面變色的，因此我們首先需要針對電鍍鍍層的清洗問題。而造成清洗不干凈的原因也有很多，我們逐一來分析并討論如何進行改進。

在傳統(tǒng)電鍍行業(yè)，清洗主要包括水洗和化學品清洗。水洗的主要目的就是將鍍層表面吸附的一些易溶于水的金屬離子，酸離子以及部分添加劑清洗掉。在電鍍?nèi)芤褐?，主要成分就是錫離子，酸，添加劑這三種主要成分，其中錫離子和酸都是以離子形式存在的，易溶于水，利用流動水洗就可以清洗掉大部分。添加劑中含有部分易溶于水的有機物，主要成分是一些小分子的醇類（溶劑）和表面活性劑（載體），還有一部分不易溶于水的有機物（分散劑，致密劑，抗氧化劑等）。目前電鍍工藝，都是采用每個化學品工位后兩級以上的流動水洗，來達到清洗干凈的目的，同時可以采用空氣攪拌來增加清洗效率。個別位置可以采用加溫的方法來提高清洗效率，但由于是流動水洗，也會增加相應的工藝成本，因此可根據(jù)實際需要酌情添加。

由于目前某些電子產(chǎn)品相對傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品已經(jīng)有了很大的改進，而帶來了一些新的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有相當多的電子產(chǎn)品，由于框架變化，環(huán)保塑封膠的應用，溢料問題日益嚴重了，很多客戶為了應對此狀況，在電鍍前采取了化學去溢料的步驟。由于浸泡時間相對較長，導致去溢料溶液會進入框架與塑封膠的縫隙中，而去溢料溶液，大部分為都是酸性堿性溶液，并且含有較多的有機物，是比較難以清洗的。對于這種產(chǎn)品，首先需要加強塑封工藝的控制，盡量減少縫隙的產(chǎn)生。其次需要在去溢料流程中，選擇溫度更低，時間更短的化學品。另外在清洗過程中，除了常規(guī)的清洗步驟，需要采用熱純水清洗，并盡量延長一些熱水浸泡的時間，這樣才能更好的將縫隙中的雜質清洗干凈。另外，可以考慮在熱水洗的工位增加超聲波清洗，能極大的提高清洗效率。但由于目前大部分電子產(chǎn)品在超聲波清洗中，會對芯片產(chǎn)生影響，因此需要根據(jù)實際情況來考量。

在電鍍線中，水洗占據(jù)了至少一半以上的工位，因此保證清洗效果就能降低產(chǎn)品變色的風險。從實際效果看，使用自來水的清洗效果反而會比使用純水更好一些，而且成本更低。只需要在整個電鍍流程的最后增加一組熱純水洗即可，不僅成本低，效果也好。

對于產(chǎn)品表面的殘留雜質，僅僅靠水洗還是很難達到我們想要的效果。因此在電鍍流程中專門有一個起到清洗作用的工序，就是中和。中和工序的主要作用就是徹底清洗電鍍后產(chǎn)品表面殘留的各種離子以及有機物，同時在鍍層表面形成一層保護膜，以保護鍍層不會被氧化。

傳統(tǒng)的中和工藝，一般都是采用一定濃度的弱堿性的磷酸三鈉溶液。磷酸三鈉本身是弱堿性，可以很好中和產(chǎn)品表面殘留的酸性物質，同時大部分金屬離子也會和磷酸離子作用形成沉淀。而磷酸三鈉本身也有一定乳化作用，可以很好的清洗那些不易溶于水中的有機物，因此經(jīng)過中和清洗后，產(chǎn)品表面殘留的雜質基本可以清洗干凈了。而且磷酸三鈉溶液對鍍層表面也有一定的鈍化作用，會在鍍層表面形成一層很薄的鈍化膜。這層鈍化膜可以保護鍍層不會被后續(xù)的雜質污染，只要工藝條件控制得好，鈍化膜不會增厚，也就不會影響鍍層的可焊性。所以中和工藝中，磷酸三鈉的濃度一般控制在20-40克/升，溫度和時間不宜過高。如果控制不好，鍍層表面的鈍化膜過厚，就會對可焊性產(chǎn)生影響。當然，磷酸三鈉本身也是有一定的問題，磷酸三鈉溶液粘稠度高，清洗起來相對困難，因此磷酸三鈉的濃度不能高，時間也不能過長，否則除了鍍層表面鈍化風險增大，還會帶來清洗問題。

隨著電鍍工藝的不斷改進，中和工序所使用的化學品也有了改變。除了清洗作用外，中和工序逐漸變化為專門針對鍍層變色而進行改進的防變色工藝，所使用的化學品也不局限于傳統(tǒng)的堿性溶液，而采用更容易清洗，更不容易鈍化的酸性溶液。

由于電鍍?nèi)芤耗壳按蟛糠植捎玫氖羌谆撬幔谆撬徨a體系的溶液，相應的防變色工藝中，也大量采用了甲基磺酸來作為主清洗劑。相對于傳統(tǒng)的磷酸三鈉溶液，甲基磺酸溶液更溶液清洗，不會因為錫水解而產(chǎn)生沉淀，同時對鍍層表面的鈍化膜也有更好的去除效果。另外由于甲基磺酸本身是一種有機酸，根據(jù)相似相溶原理，對添加劑的清洗相對傳統(tǒng)堿性中和只能依靠乳化來說，有更好的效果。對于鍍層表面的保護，大部分防變色溶液中，都添加了相應的表面活性劑，這些表面活性劑在吸附作用下，會自動吸附在鍍層表面，形成一層分子保護膜。這層分子膜會在焊接時遇到高溫就自動消失，明顯優(yōu)于堿性溶液形成的鈍化膜。根據(jù)需要達到的不同效果，防變色劑有常溫防變色劑（主要是應對長時間存放），高溫防變色劑（主要應對焊接時的高溫變色），不同的防變色劑，只需選擇不同的表面活性劑即可達到清洗及防變色效果。當然，防變色劑也有一定的風險，由于分子膜形成是吸附形成，因此會將沒有清洗干凈的雜質一起封閉在分子膜下，所以電鍍后的清洗更加重要。

3、結語

對于目前甲基磺酸體系的錫鍍層，我們需要根據(jù)實際的情況來制定相應的防變色工藝。首先選擇一款致密性好，結晶比較細致的電鍍添加劑，這樣的鍍層表面更加細致光滑，不容易殘留溶液。在去溢料方面，盡量選擇用時更短，溫度更低的去溢料溶液（最好是電解去溢料，時間短，容易清洗），防止溶液滲透。電鍍線的所有水洗槽可選用自來水，需要流動水洗，并添加空氣攪拌。在烘干前增加一組熱純水洗，可以根據(jù)實際情況決定是否添加超聲波。同時根據(jù)產(chǎn)品的品質要求，使用相應的防變色劑來達到最佳的防變色效果。

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