无铅纯锡电镀晶须产生的原因和控制对策
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2 锡须问题
纯 锡电镀 中存 在较多 的难题, 包括 镀层分 散性 差、 结晶粗、易 烧焦、镀液 易混 浊及 锡须生 长 问题 等。锡 须 是从纯锡镀层 表面 自发 生长 出来 的一 种细 长状 的锡 结 晶, 其直径范围为 0 3~ 10 m, 通常 为 1 ~ 3 m, 长度 范 围通常为 1 m~ 1 mm, 曾 有报导最长 达到 10 mm。锡 须 可以呈现各种 形态, 如 直线 形、弯 曲、扭 结甚 至环 形 等, 其截面 常呈现 不规 则的形 状, 外 表面有 不规则 的条 纹, 就象是从 不规 则形 状的 模具 中挤压 出来 的一 样。大 多 数的锡须 在其 根部 存在 着凹 坑。作为 电子 器件 的可 焊 性镀层, 锡须的存在会引起 短路, 引 发电路故 障, 使电 子 器件的可 靠性 降低 甚至 还会 造成灾 难性 后果。 有关 这 方面的情 况已 有较 多报 道。典型 的锡 须扫 描电 镜照 片 如图 1 所示。
Abstract: Whisker problem must be firstly solved in developing a lead free pure tin electroplating process. The af fecting factors and mechanism of whisker forming were discussed. An additive for lead free pure tin electroplating that can effectively prevent whisker forming was developed, which has advantages of fine crystal, good solderability, low con sumption, easy operation, etc. And thereby an effective method for controlling whisker forming as well as the solutions for other difficult problems in pure tin electroplating was presented. Some other effective measures for controlling whisker forming and the accelerated test of whisker formation were also introduced.
Keywords: lead free pure tin electroplating; tin whisker; additive
1 前言
目前, 电子封装业可焊性 镀层广 泛采用锡 铅合金 电 镀层。然而, 铅 及其 化合 物属 于有 毒物 质, 长 期使 用 会 给人类生 活环 境和 安全 带来 较大的 危害。 从保 护地 球 环境和人类的健康出发, 近年 来在电 子行业中 无铅化 的 呼声日益高涨。
第 24 卷 第 3 期
经验交流
电镀与涂饰
Vol. 24 No. 3
无铅纯锡电镀晶须产生的原因和控制对策
贺岩峰, 孙江燕, 赵会然, 张丹
( 上海新阳电子化学有限公司, 上海 201803)
摘 要: 开发无铅化纯锡电镀技术必须 首先解决锡须问 题。讨论了 锡须形 成的影 响因素及 机理。开 发出一 种
! 44 !
准通过 了 WEEE ( 关于报废电子电器设备指令案) 和 Ro HS( 关于在电子电器设备中禁止使用某些 有害物质的 指 令案) 。在 RoHS 中明确规定, 欧 盟将逐步限 制铅在电 子 行业中使用, 并于 2006 年 7 月 1 日起在电 子电器产品 中 禁止使用 含铅 物质。为 了紧 跟国 际电 子行 业无铅 化 技 术发展的形势, 国家有关部门 也正在 全力推动 我国电 子 信息产业 无铅 化技术 的研 究、开发 和应用, 提倡 开发 自 主知识产权的新技术、新 材料及新 产品。有关 的无铅 化 法规正在制订之中。
2002 年 10 月 11 日, 欧洲议会 和欧盟 部长理 事会 批
收稿日期: 2004- 10- 14 修回日期: 2005- 01- 14 作者简介: 贺岩峰( 1957- ) , 男, 辽宁人, 博士, 教授, 研究方向为电 子化学品。 作者 联系 方 式: ( Email) hheyf @ sina. com, ( Tel) 021- 69110066302。
必须指出, 目前关于锡须 形成的 机理或影 响锡须 形 成的因素 还缺 乏系统 的、充 足的研 究和实 验证 据, 存 在 着许多相反或相矛盾的 实验事 实。 因此, 关于 锡须形 成 的严格而统一的机理及相关理论尚有待建立。
3 控制锡须的对策
已提出了许多控制锡须 生成的 方法, 主要 有: ( 1) 在 纯锡镀层和基体金属之 间引入 镀镍层[ 6] , 认为 镀镍层 作 为阻挡层阻止了铜向纯锡镀 层中扩 散, 因而使 锡须不 易 生成; ( 2) 将纯锡镀层 进行退 火处理, 以 消除应 力[ 4] ; ( 3) 用聚合物等在纯锡 镀层表 面制作共 形保护 层[ 7] 。此 外, 还有采用 较厚 的纯锡 镀层、控制电 镀条件、避免 镀层 表 面机械损伤、避免镀层上 施加压应 力等方 法。但由于 许 多因素的影响, 有些方法较难在实际中得到应用。
文献标识码: B
文章编号: 1004- 227X( 2005) 03- 0044- 03
Reasons for whisker forming and solutions for controlling whisker of lead free pure tin electroplating
HE Yan feng, SUN Jiang yan, ZHAO Hui ran, ZHANG Dan ( Shanghai Xinyang Electronics Chemicals Co. , Ltd. , Shanghai 201803, China)
! 45 !
电镀与涂饰
无铅纯锡电镀晶须产生的原因和控制对策
Mar . 2005
或拱形, 有利于 抵抗 内应力 的作用, 从而 可避免 锡须 的 形成。
( 3) 对结晶 颗粒尺寸 进行 控制。一 般认为, 小的 晶 粒比大 的晶粒 更易产 生锡 须, 但在 实际 应用中, 用户 往 往要求晶粒细小。例如, 长电 集团的 无铅化评 估方案 中 就对结晶做 出了 规定, 要求 结晶 细 腻, 与 现有 锡铅 ( 85/ 15) 样品外观 相接 近。在满 足用 户要 求 的条 件下, 尽 量 不采用过小的晶粒尺寸, 有利于对 锡须的 抑制。通过 了 解晶粒尺寸对锡须生成的影响以及 调整, 调整 添加剂 的 组分可以 控制 晶粒 尺寸。我 们一 般将 晶粒 尺寸 控制 在
1~ 3 m或 2~ 5 m。 ( 4) 控制镀层的厚度, 使其均匀。我们认为, 镀层 厚
度的均匀性也是影响锡须生成的一 个因素, 压 应力可 能 会在镀层薄处集中。通过对 添加剂 组分的调 整控制, 可 使镀层的厚度均匀。
按照这样的控制方案, 我 们开发 出了对锡 须具有 较 好抑制能力的无铅纯锡电镀添加剂, 该添加剂 可应用 于 IC 引线框架等的纯 锡可 焊性镀 层的 电镀 中。其 工艺 规 范为:
近 年来, 人 们提出 了 Sn Bi、Sn Cu、Sn Ag、Sn Zn 等 或 者三元合金作 为代 替 Sn Pb 的可焊 性镀层, 但是 由于 材 料的相容性、毒性、高成 本、机械性 能、润湿性 能、老化 性 能等原因, 目前尚没有一种公 认的二 元或三元 合金可 以
2005 年 3 月
无铅纯锡电镀晶须产生的原因和控制对策
无 铅纯 锡电镀 的核 心是电 镀添加 剂。笔者 所在 公 司经过系统的 研究 开发 出了 一种 新型 无铅 纯锡 电镀 添 加剂, 建 立了控 制锡 须的方 法, 同时 也很 好地解 决了 纯 锡电镀中 的其 它难 题。该添 加剂 可应 用于 集成 电路 和 半导体分立器件可焊性镀层的无铅 纯锡电镀 中, 具有 镀 层结晶细致及可焊性好、使 用维护 容易、消耗 量低、经 济 可靠等优点, 能够满足客户无铅化电镀的需要。
挂镀
H+
150~ 200( 170) g/ L
Sn+
10~ 15( 12) g/ L
添加剂
10~ 25( 15) mL/ L
J
0 5~ 3 0 A/ dm2
wk.baidu.com
阴极移动速度
30 次/ min
高速度 160~ 220( 170) g/ L
针对 IC 引线框架等要求的无铅纯锡可焊性镀层, 我 们研究了无铅纯锡电镀 添加剂。在 该添加剂 的设计 中, 采取了如下的控制锡须的对策:
( 1) 通过消除 或减少镀 层中 的压应 力来抑 制锡 须, 而通过添加剂中各组分的协 调、配合 可以达到 消除压 应 力的目的。
( 2) 控制结晶过程, 以形成较为完善、规整的结晶 结 构, 避免产生较多的结晶 缺陷。晶粒 的形态对 锡须的 形 成有较大影响。晶粒表面圆 滑、光洁 以及结晶 完善程 度 高都可以减少锡须的形成; 晶 粒表面 均匀突起 呈椭圆 形
电镀与涂饰
取代 Sn Pb 作为可焊性镀层。在电子封装行业普遍接 受 的是采用 纯锡 作为 无铅 化可 焊性 镀层[ 1] 。世 界上 各 大 著名公司、国家实验室和研究 院都投 入了相当 的力量 开 展无铅化纯锡电镀技术的研究与开 发, 并已有 部分无 铅 化电镀产品推出。
与 锡铅电 镀相 比, 纯锡 电镀 中存在 着较多 的难 题, 包括焊 接温度 高、结 晶粗及 锡须生 长问 题等, 其 中锡 须 是首要的问题, 其影 响最大, 也 最难以 解 决。由于 锡 须 对电子 器件的 可靠性 影响 较大, 所 以, 开 发无铅 化纯 锡 电镀技术必须首先解决锡须问题, 而 有关锡须 的研究 目 前还很不充分。
图 1 典型 锡须的扫描电镜照片( ∀ 5 000) Figure 1 SEM photo of typical whisker ( ∀ 5 000)
锡须生成的主要 模型有: ( 1) 重结晶 模型[ 2] , 认为 锡 须是从重结晶的晶粒上生 长出来的。 ( 2) 金属 间化合 物 模型[ 3] , 认为在基体与镀层之 间的结 合处产生 某种金 属 间化合物( 如 Cu6Sn5) , 使得镀层中产生压应力, 从而引起 了锡须的生长。( 3) 镀层与基 体金属 之间的热 膨胀系 数 不匹配引发了锡须的生长[ 4] 。( 4) 镀 层表 面锡的 氧化 物 的形成[ 4] , 由于其 体积 变化 使得 镀层 中 产生 压应 力, 从 而引发锡 须的 生长; 另 外, 表 面锡氧 化物 存在着 缺陷 或 裂隙, 在 内 部 应 力 的 作 用 下 锡 被 挤 压 出 形 成 锡 须[ 5] 。 ( 5) 基体 金 属原 子 扩散 进 入 镀层 引 起镀 层 中产 生 压 应 力, 引发锡须的生长[ 3, 6] 。按此机理, 易于向锡 中扩散 的 金属( 如 Cu、Zn) 作为基体时, 容易产生锡须; 而不易向 锡 中扩散的金属 ( 如 Ni) 作 为基 体时则 不易 产生 锡须。 此 外, 镀层表面施加外部压应 力、镀层 划痕及刮 伤、镀件 存 放环境( 温度、湿度 等) 、镀层 厚度 ( 薄 易产 生锡 须, 厚 不 易产生锡须) 、结晶( 结晶 形态、晶粒 尺寸、取 向等) 、电 镀 条件( 电流密度、电镀时间、温度、镀液 中杂质 等) 等均 会 影响锡须的产生。
能有效防止锡须生成的无铅纯锡电镀添加剂, 该添加剂具有结晶 细致、可焊性 好、消 耗量低、使 用维护容 易等优 点, 从
而建立了一种抑制锡须的有效方法, 同时解决了纯锡电 镀中的其它难题。介绍了控 制锡须的 其它一些有 效措施及 锡
须生长加速试验。
关键词: 无铅纯锡电镀; 锡须; 添加剂
中图分类号: TQ153. 13
纯 锡电镀 中存 在较多 的难题, 包括 镀层分 散性 差、 结晶粗、易 烧焦、镀液 易混 浊及 锡须生 长 问题 等。锡 须 是从纯锡镀层 表面 自发 生长 出来 的一 种细 长状 的锡 结 晶, 其直径范围为 0 3~ 10 m, 通常 为 1 ~ 3 m, 长度 范 围通常为 1 m~ 1 mm, 曾 有报导最长 达到 10 mm。锡 须 可以呈现各种 形态, 如 直线 形、弯 曲、扭 结甚 至环 形 等, 其截面 常呈现 不规 则的形 状, 外 表面有 不规则 的条 纹, 就象是从 不规 则形 状的 模具 中挤压 出来 的一 样。大 多 数的锡须 在其 根部 存在 着凹 坑。作为 电子 器件 的可 焊 性镀层, 锡须的存在会引起 短路, 引 发电路故 障, 使电 子 器件的可 靠性 降低 甚至 还会 造成灾 难性 后果。 有关 这 方面的情 况已 有较 多报 道。典型 的锡 须扫 描电 镜照 片 如图 1 所示。
Abstract: Whisker problem must be firstly solved in developing a lead free pure tin electroplating process. The af fecting factors and mechanism of whisker forming were discussed. An additive for lead free pure tin electroplating that can effectively prevent whisker forming was developed, which has advantages of fine crystal, good solderability, low con sumption, easy operation, etc. And thereby an effective method for controlling whisker forming as well as the solutions for other difficult problems in pure tin electroplating was presented. Some other effective measures for controlling whisker forming and the accelerated test of whisker formation were also introduced.
Keywords: lead free pure tin electroplating; tin whisker; additive
1 前言
目前, 电子封装业可焊性 镀层广 泛采用锡 铅合金 电 镀层。然而, 铅 及其 化合 物属 于有 毒物 质, 长 期使 用 会 给人类生 活环 境和 安全 带来 较大的 危害。 从保 护地 球 环境和人类的健康出发, 近年 来在电 子行业中 无铅化 的 呼声日益高涨。
第 24 卷 第 3 期
经验交流
电镀与涂饰
Vol. 24 No. 3
无铅纯锡电镀晶须产生的原因和控制对策
贺岩峰, 孙江燕, 赵会然, 张丹
( 上海新阳电子化学有限公司, 上海 201803)
摘 要: 开发无铅化纯锡电镀技术必须 首先解决锡须问 题。讨论了 锡须形 成的影 响因素及 机理。开 发出一 种
! 44 !
准通过 了 WEEE ( 关于报废电子电器设备指令案) 和 Ro HS( 关于在电子电器设备中禁止使用某些 有害物质的 指 令案) 。在 RoHS 中明确规定, 欧 盟将逐步限 制铅在电 子 行业中使用, 并于 2006 年 7 月 1 日起在电 子电器产品 中 禁止使用 含铅 物质。为 了紧 跟国 际电 子行 业无铅 化 技 术发展的形势, 国家有关部门 也正在 全力推动 我国电 子 信息产业 无铅 化技术 的研 究、开发 和应用, 提倡 开发 自 主知识产权的新技术、新 材料及新 产品。有关 的无铅 化 法规正在制订之中。
2002 年 10 月 11 日, 欧洲议会 和欧盟 部长理 事会 批
收稿日期: 2004- 10- 14 修回日期: 2005- 01- 14 作者简介: 贺岩峰( 1957- ) , 男, 辽宁人, 博士, 教授, 研究方向为电 子化学品。 作者 联系 方 式: ( Email) hheyf @ sina. com, ( Tel) 021- 69110066302。
必须指出, 目前关于锡须 形成的 机理或影 响锡须 形 成的因素 还缺 乏系统 的、充 足的研 究和实 验证 据, 存 在 着许多相反或相矛盾的 实验事 实。 因此, 关于 锡须形 成 的严格而统一的机理及相关理论尚有待建立。
3 控制锡须的对策
已提出了许多控制锡须 生成的 方法, 主要 有: ( 1) 在 纯锡镀层和基体金属之 间引入 镀镍层[ 6] , 认为 镀镍层 作 为阻挡层阻止了铜向纯锡镀 层中扩 散, 因而使 锡须不 易 生成; ( 2) 将纯锡镀层 进行退 火处理, 以 消除应 力[ 4] ; ( 3) 用聚合物等在纯锡 镀层表 面制作共 形保护 层[ 7] 。此 外, 还有采用 较厚 的纯锡 镀层、控制电 镀条件、避免 镀层 表 面机械损伤、避免镀层上 施加压应 力等方 法。但由于 许 多因素的影响, 有些方法较难在实际中得到应用。
文献标识码: B
文章编号: 1004- 227X( 2005) 03- 0044- 03
Reasons for whisker forming and solutions for controlling whisker of lead free pure tin electroplating
HE Yan feng, SUN Jiang yan, ZHAO Hui ran, ZHANG Dan ( Shanghai Xinyang Electronics Chemicals Co. , Ltd. , Shanghai 201803, China)
! 45 !
电镀与涂饰
无铅纯锡电镀晶须产生的原因和控制对策
Mar . 2005
或拱形, 有利于 抵抗 内应力 的作用, 从而 可避免 锡须 的 形成。
( 3) 对结晶 颗粒尺寸 进行 控制。一 般认为, 小的 晶 粒比大 的晶粒 更易产 生锡 须, 但在 实际 应用中, 用户 往 往要求晶粒细小。例如, 长电 集团的 无铅化评 估方案 中 就对结晶做 出了 规定, 要求 结晶 细 腻, 与 现有 锡铅 ( 85/ 15) 样品外观 相接 近。在满 足用 户要 求 的条 件下, 尽 量 不采用过小的晶粒尺寸, 有利于对 锡须的 抑制。通过 了 解晶粒尺寸对锡须生成的影响以及 调整, 调整 添加剂 的 组分可以 控制 晶粒 尺寸。我 们一 般将 晶粒 尺寸 控制 在
1~ 3 m或 2~ 5 m。 ( 4) 控制镀层的厚度, 使其均匀。我们认为, 镀层 厚
度的均匀性也是影响锡须生成的一 个因素, 压 应力可 能 会在镀层薄处集中。通过对 添加剂 组分的调 整控制, 可 使镀层的厚度均匀。
按照这样的控制方案, 我 们开发 出了对锡 须具有 较 好抑制能力的无铅纯锡电镀添加剂, 该添加剂 可应用 于 IC 引线框架等的纯 锡可 焊性镀 层的 电镀 中。其 工艺 规 范为:
近 年来, 人 们提出 了 Sn Bi、Sn Cu、Sn Ag、Sn Zn 等 或 者三元合金作 为代 替 Sn Pb 的可焊 性镀层, 但是 由于 材 料的相容性、毒性、高成 本、机械性 能、润湿性 能、老化 性 能等原因, 目前尚没有一种公 认的二 元或三元 合金可 以
2005 年 3 月
无铅纯锡电镀晶须产生的原因和控制对策
无 铅纯 锡电镀 的核 心是电 镀添加 剂。笔者 所在 公 司经过系统的 研究 开发 出了 一种 新型 无铅 纯锡 电镀 添 加剂, 建 立了控 制锡 须的方 法, 同时 也很 好地解 决了 纯 锡电镀中 的其 它难 题。该添 加剂 可应 用于 集成 电路 和 半导体分立器件可焊性镀层的无铅 纯锡电镀 中, 具有 镀 层结晶细致及可焊性好、使 用维护 容易、消耗 量低、经 济 可靠等优点, 能够满足客户无铅化电镀的需要。
挂镀
H+
150~ 200( 170) g/ L
Sn+
10~ 15( 12) g/ L
添加剂
10~ 25( 15) mL/ L
J
0 5~ 3 0 A/ dm2
wk.baidu.com
阴极移动速度
30 次/ min
高速度 160~ 220( 170) g/ L
针对 IC 引线框架等要求的无铅纯锡可焊性镀层, 我 们研究了无铅纯锡电镀 添加剂。在 该添加剂 的设计 中, 采取了如下的控制锡须的对策:
( 1) 通过消除 或减少镀 层中 的压应 力来抑 制锡 须, 而通过添加剂中各组分的协 调、配合 可以达到 消除压 应 力的目的。
( 2) 控制结晶过程, 以形成较为完善、规整的结晶 结 构, 避免产生较多的结晶 缺陷。晶粒 的形态对 锡须的 形 成有较大影响。晶粒表面圆 滑、光洁 以及结晶 完善程 度 高都可以减少锡须的形成; 晶 粒表面 均匀突起 呈椭圆 形
电镀与涂饰
取代 Sn Pb 作为可焊性镀层。在电子封装行业普遍接 受 的是采用 纯锡 作为 无铅 化可 焊性 镀层[ 1] 。世 界上 各 大 著名公司、国家实验室和研究 院都投 入了相当 的力量 开 展无铅化纯锡电镀技术的研究与开 发, 并已有 部分无 铅 化电镀产品推出。
与 锡铅电 镀相 比, 纯锡 电镀 中存在 着较多 的难 题, 包括焊 接温度 高、结 晶粗及 锡须生 长问 题等, 其 中锡 须 是首要的问题, 其影 响最大, 也 最难以 解 决。由于 锡 须 对电子 器件的 可靠性 影响 较大, 所 以, 开 发无铅 化纯 锡 电镀技术必须首先解决锡须问题, 而 有关锡须 的研究 目 前还很不充分。
图 1 典型 锡须的扫描电镜照片( ∀ 5 000) Figure 1 SEM photo of typical whisker ( ∀ 5 000)
锡须生成的主要 模型有: ( 1) 重结晶 模型[ 2] , 认为 锡 须是从重结晶的晶粒上生 长出来的。 ( 2) 金属 间化合 物 模型[ 3] , 认为在基体与镀层之 间的结 合处产生 某种金 属 间化合物( 如 Cu6Sn5) , 使得镀层中产生压应力, 从而引起 了锡须的生长。( 3) 镀层与基 体金属 之间的热 膨胀系 数 不匹配引发了锡须的生长[ 4] 。( 4) 镀 层表 面锡的 氧化 物 的形成[ 4] , 由于其 体积 变化 使得 镀层 中 产生 压应 力, 从 而引发锡 须的 生长; 另 外, 表 面锡氧 化物 存在着 缺陷 或 裂隙, 在 内 部 应 力 的 作 用 下 锡 被 挤 压 出 形 成 锡 须[ 5] 。 ( 5) 基体 金 属原 子 扩散 进 入 镀层 引 起镀 层 中产 生 压 应 力, 引发锡须的生长[ 3, 6] 。按此机理, 易于向锡 中扩散 的 金属( 如 Cu、Zn) 作为基体时, 容易产生锡须; 而不易向 锡 中扩散的金属 ( 如 Ni) 作 为基 体时则 不易 产生 锡须。 此 外, 镀层表面施加外部压应 力、镀层 划痕及刮 伤、镀件 存 放环境( 温度、湿度 等) 、镀层 厚度 ( 薄 易产 生锡 须, 厚 不 易产生锡须) 、结晶( 结晶 形态、晶粒 尺寸、取 向等) 、电 镀 条件( 电流密度、电镀时间、温度、镀液 中杂质 等) 等均 会 影响锡须的产生。
能有效防止锡须生成的无铅纯锡电镀添加剂, 该添加剂具有结晶 细致、可焊性 好、消 耗量低、使 用维护容 易等优 点, 从
而建立了一种抑制锡须的有效方法, 同时解决了纯锡电 镀中的其它难题。介绍了控 制锡须的 其它一些有 效措施及 锡
须生长加速试验。
关键词: 无铅纯锡电镀; 锡须; 添加剂
中图分类号: TQ153. 13