镀锡工艺镀层变色的原因分析及改善

王成刚

摘要：镀锡工艺已成为半导体封装表面处理的主流工艺，基本取代了原有的搪锡工艺，它具有生产效率高，污染小，成本低等诸多有点。在生产过程中，工艺控制不好就会出现镀层发黄、发黑、发蓝等镀层变色问题，通过对镀层变色原因的分析，优化电镀工艺，完善维护保养方法，达到焊锡层均匀致密，可焊性好，表面美观的质量要求。

关键词：镀层变色、氧化膜、钝化膜、锡离子、酸离子、甲基磺酸

0引言

电镀镀层变色，主要的现象就是电镀锡层在某些条件下，出现发黄，发蓝甚至发黑而失去了镀层原始洁白的颜色。从而影响外观，甚至镀层的可焊性等功能。

1、电镀层变色的原因

首先是镀层沾污，在电镀完成后，有某些杂质如果附着在镀层表面（如某些油脂类杂质），会在镀层经过高温烘干后，形成黑色或黄色的沾污;其次是电镀层本身的问题，由于电镀溶液的工艺条件发生异常，造成镀层发黑，发花，甚至发生烧焦和粗糙，也会造成电镀层变色;最后是由于电镀镀层表面由于清洗问题导致有酸，碱等物质残留，经过长时间存储而在镀层表面产生氧化膜或钝化膜等，造成变色。最后一种情况则是目前电镀镀层变色的主要原因，也是我们主要讨论和研究的方向。

其次是氧化膜和钝化膜的形成镀层表面形成的氧化膜或钝化膜的原理，简单说就是锡在空气中，与空气中的氧作用生成氧化膜或钝化膜。而由于这层膜的存在，会导致镀层表面熔融温度升高，导致正常的焊接被阻挡，严重影响可焊性。尤其在目前的电子行业中，出于对整个电路板的其他元器件产生影响，有很多客户的所采用的焊接温度都很难达到245度，由于锡镀层的熔化温度是237度，如果焊接温度低于245度，锡镀层的表面达不到熔化状态，因此会导致严重的焊接性不良。因此对于镀层的变色，需要谨慎对待。

2、解决镀层变色的主要办法

根据镀层发生变色的原理，我们可以根据相应的状况来进行调整与改善。从变色的主要原因分析，镀层表面如果含有未清洗干净的杂质，是很容易造成镀层表面变色的，因此我们首先需要针对电镀镀层的清洗问题。而造成清洗不干净的原因也有很多，我们逐一来分析并讨论如何进行改进。

在传统电镀行业，清洗主要包括水洗和化学品清洗。水洗的主要目的就是将镀层表面吸附的一些易溶于水的金属离子，酸离子以及部分添加剂清洗掉。在电镀溶液中，主要成分就是锡离子，酸，添加剂这三种主要成分，其中锡离子和酸都是以离子形式存在的，易溶于水，利用流动水洗就可以清洗掉大部分。添加剂中含有部分易溶于水的有机物，主要成分是一些小分子的醇类（溶剂）和表面活性剂（载体），还有一部分不易溶于水的有机物（分散剂，致密剂，抗氧化剂等）。目前电镀工艺，都是采用每个化学品工位后两级以上的流动水洗，来达到清洗干净的目的，同时可以采用空气搅拌来增加清洗效率。个别位置可以采用加温的方法来提高清洗效率，但由于是流动水洗，也会增加相应的工艺成本，因此可根据实际需要酌情添加。

由于目前某些电子产品相对传统的电子产品已经有了很大的改进，而带来了一些新的挑战。现有相当多的电子产品，由于框架变化，环保塑封胶的应用，溢料问题日益严重了，很多客户为了应对此状况，在电镀前采取了化学去溢料的步骤。由于浸泡时间相对较长，导致去溢料溶液会进入框架与塑封胶的缝隙中，而去溢料溶液，大部分为都是酸性碱性溶液，并且含有较多的有机物，是比较难以清洗的。对于这种产品，首先需要加强塑封工艺的控制，尽量减少缝隙的产生。其次需要在去溢料流程中，选择温度更低，时间更短的化学品。另外在清洗过程中，除了常规的清洗步骤，需要采用热纯水清洗，并尽量延长一些热水浸泡的时间，这样才能更好的将缝隙中的杂质清洗干净。另外，可以考虑在热水洗的工位增加超声波清洗，能极大的提高清洗效率。但由于目前大部分电子产品在超声波清洗中，会对芯片产生影响，因此需要根据实际情况来考量。

在电鍍线中，水洗占据了至少一半以上的工位，因此保证清洗效果就能降低产品变色的风险。从实际效果看，使用自来水的清洗效果反而会比使用纯水更好一些，而且成本更低。只需要在整个电镀流程的最后增加一组热纯水洗即可，不仅成本低，效果也好。

对于产品表面的残留杂质，仅仅靠水洗还是很难达到我们想要的效果。因此在电镀流程中专门有一个起到清洗作用的工序，就是中和。中和工序的主要作用就是彻底清洗电镀后产品表面残留的各种离子以及有机物，同时在镀层表面形成一层保护膜，以保护镀层不会被氧化。

传统的中和工艺，一般都是采用一定浓度的弱碱性的磷酸三钠溶液。磷酸三钠本身是弱碱性，可以很好中和产品表面残留的酸性物质，同时大部分金属离子也会和磷酸离子作用形成沉淀。而磷酸三钠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机物，因此经过中和清洗后，产品表面残留的杂质基本可以清洗干净了。而且磷酸三钠溶液对镀层表面也有一定的钝化作用，会在镀层表面形成一层很薄的钝化膜。这层钝化膜可以保护镀层不会被后续的杂质污染，只要工艺条件控制得好，钝化膜不会增厚，也就不会影响镀层的可焊性。所以中和工艺中，磷酸三钠的浓度一般控制在20-40克/升，温度和时间不宜过高。如果控制不好，镀层表面的钝化膜过厚，就会对可焊性产生影响。当然，磷酸三钠本身也是有一定的问题，磷酸三钠溶液粘稠度高，清洗起来相对困难，因此磷酸三钠的浓度不能高，时间也不能过长，否则除了镀层表面钝化风险增大，还会带来清洗问题。

随着电镀工艺的不断改进，中和工序所使用的化学品也有了改变。除了清洗作用外，中和工序逐渐变化为专门针对镀层变色而进行改进的防变色工艺，所使用的化学品也不局限于传统的碱性溶液，而采用更容易清洗，更不容易钝化的酸性溶液。

由于电镀溶液目前大部分采用的是甲基磺酸，甲基磺酸锡体系的溶液，相应的防变色工艺中，也大量采用了甲基磺酸来作为主清洗剂。相对于传统的磷酸三钠溶液，甲基磺酸溶液更溶液清洗，不会因为锡水解而产生沉淀，同时对镀层表面的钝化膜也有更好的去除效果。另外由于甲基磺酸本身是一种有机酸，根据相似相溶原理，对添加剂的清洗相对传统碱性中和只能依靠乳化来说，有更好的效果。对于镀层表面的保护，大部分防变色溶液中，都添加了相应的表面活性剂，这些表面活性剂在吸附作用下，会自动吸附在镀层表面，形成一层分子保护膜。这层分子膜会在焊接时遇到高温就自动消失，明显优于碱性溶液形成的钝化膜。根据需要达到的不同效果，防变色剂有常温防变色剂（主要是应对长时间存放），高温防变色剂（主要应对焊接时的高温变色），不同的防变色剂，只需选择不同的表面活性剂即可达到清洗及防变色效果。当然，防变色剂也有一定的风险，由于分子膜形成是吸附形成，因此会将没有清洗干净的杂质一起封闭在分子膜下，所以电镀后的清洗更加重要。

3、结语

对于目前甲基磺酸体系的锡镀层，我们需要根据实际的情况来制定相应的防变色工艺。首先选择一款致密性好，结晶比较细致的电镀添加剂，这样的镀层表面更加细致光滑，不容易残留溶液。在去溢料方面，尽量选择用时更短，温度更低的去溢料溶液（最好是电解去溢料，时间短，容易清洗），防止溶液渗透。电镀线的所有水洗槽可选用自来水，需要流动水洗，并添加空气搅拌。在烘干前增加一组热纯水洗，可以根据实际情况决定是否添加超声波。同时根据产品的品质要求，使用相应的防变色剂来达到最佳的防变色效果。

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