PCB电镀焊料(锡铅合金)工艺介绍

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

焊料（60%Sn，40%Pb）电镀槽液的技术规范

配制100加仑标准槽液

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

配制高分散性槽液配方

操作条件

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。

∙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。

∙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。

∙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。

∙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。

∙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

∙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。

∙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

∙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。

∙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

∙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。

∙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。

∙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。

∙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。

∙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。

∙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