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锡铅电镀的演进介绍

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1.熔锡的功能
a.让熔锡沿沿线路导体的两侧流下,所有裸露的铜面都以熔锡予以披覆,使铜面在长期使用中受到进一步的保护,避免发生其他问题。
b.在高温熔合过程(Fusing)中,底铜与锡之间会迅速生成良性的“接口合金共化物(IMC:Intermattalic Compound Cu5Sn6),而让板面的孔环、孔壁或焊垫均具备良好的“焊锡性”,有助于游的焊接组装。所采用的熔合制程有油熔法(或称炸油)、脏溶法、红外线熔合法、气相熔合法等。
但此种传统“熔锡板”却有下述难以避免的缺点,因此必须改用更好的SMOBC法,以因应下游焊锡性的要求。

2.熔锡板的缺点
a.由于“锡铅镀层”中已共镀上不少有机物,严重时会在熔合(220℃)之时出现缩锡(Dewatting)、产生气泡口(Outgassing),甚至无法熔合(Non-Wetting)等现象,对下游零件组装的焊锡性大有影响。因而必须经常对镀液进行活性炭处理才能暂保平安,相当费事。
b.熔锡后还要加印绿漆才能出货,而到了组装在线进行焊接步骤时,因为绿漆下的“熔锡层”,在受热到达熔点时(183℃)会发生流动,造成绿漆的破损,无法继续保护板子本身,甚至藏污纳垢遗留祸害。

3.喷锡板的兴起
上述两项先天性的缺点,已使得“熔锡板”存在的负面效果过大,因而不得不改采新式SMOBC的裸铜喷锡板做为因应。这种“喷锡板”的优缺点又是如何,将分析于后:

A.优点——
铅锡镀层在完成耐蚀刻的阻剂角色后即行剥除,使得绿漆可以直接加印在裸铜线路上,称之为Solder Mask Over Bare Copper(SMOBC)。由于组装焊(230℃)距离铜的熔点(1083℃)尚远,在数度焊接中其绿漆层仍然紧附于铜面上,丝毫不受影响,完全达到让板的功能。且所镀之锡铅层若只做阻剂用途时即无需熔合,厚度也不必达到0.3mil以上(溶锡板需达到0.3mil以上),其电镀时间自可减半,流程也得以加速。当焊锡性不再讲究时,镀液也无需再小心呵护,大可省却处理的麻烦。

所谓喷锡板(大陆术语为热风整平,系直译自Hot Air Level ling),是先将镀锡铅之阻剂层剥掉,再完成绿漆,并将孔环孔壁及垫铜面做好清洁处理后,使板子浸于熔融焊锡池内,在沾满焊锡并吹掉多余者而得到的板子,谓之喷锡板。

B.缺点——
仅只当成阻剂的锡铅层,在完成蚀刻后还要设法予以剥掉,不但要只增“剥除液”的制程及费用,其扣续的环保处理更是缺少不得。且绿漆后的板子还需要做喷锡(大陆术语为热风整平,系直译自Hot Air Level ling)才能完工。如此多加流程倍增开销,成本难免会上升。加之喷锡的温度常高于熔锡,厚度均匀性也不如熔锡。且因IMC劣化较快,焊锡性的维护反不如熔锡板。

从上述的分析比较,单就PCB本身立场看来,喷锡板实在是得不偿失;但若站在下游用户的观点,则喷锡板又势在必行。幸好近年“预焊剂”(Pereflux)进步很快,令喷锡板有了代用制程,现说明于后。

4.预焊剂的裸铜板

a.所为预焊剂就是在“松香基”(Rosin Base)助焊中添加若干“护铜剂”(如Imidazole类),使涂布在绿漆后已剥锡的裸铜导体上(焊垫或孔环孔壁),而能与波或锡膏中的焊锡配合,完成焊接的使命,这才是真正的裸铜板。

b.由于松香基预焊剂怛属溶剂型,在板面会呈现粘遢遢不清爽的现象,又不耐温不耐湿,是一种讨人厌的涂层,而且也不利电性测试的进行。近年来虽有改进,但仍只在日系业界中流行而已。

c.水溶性纯做护铜作用的皮膜层,最早是Glicoat(Alky-Imidazole)制程,在裸铜单面板中已使用多年,称“整面处理”(整理铜面)。然而耐温耐湿性质仍达不到多次焊接,及长期存放的可靠焊锡性,故鲜见于双面或多层板。
此类水溶性护铜剂亦会出现这一种Entek Cu-56处理,这就是IBM系统所奉为上方宝剑的“苯骈三氮唑”(Benxotriazole,简称BTA),这可能量所有“裸铜板”化学品中唯一的美式产品,为了保持面子也经常在蓝图上指定使用。因其所处理的皮膜甚薄,根本不耐湿也不耐温,只能短时间护铜而已。

d.最新水溶性Preflux应属获有专利的Alky-Benzi-Imidazole(上村公司之商品为Cu-Coat A),在耐湿耐温上已有大幅的改进。常温中放置半年后其PCB仍可耐得住锡膏正反面,及波焊等三次高温焊接作业。这种Cu-Coat A无论是在流程、设备、环保及操作成本上,与喷锡相比都有过之而无不及。板子不但焊垫表面非常平坦有利于SMT,且因全未接触高温未遭热应力,对于板子的平坦度(Flatness)及“尺度安定性”也都大有帮助,假以时日将大有取代喷锡之势。

五、以纯锡层为耐蚀刻阻剂
上述喷锡板或真正的裸铜板,需将辛苦镀上的“锡铅层”又再的剥掉,为的只是抵抗“碱性含氨蚀刻液”那短短1-2分钟的攻击而已。而纯锡层照样耐得住这种喷蚀。在无需继续兼顾下游的焊接起见,其中恶名昭彰的“铅”大可弃之不顾,这就是近年来业界已渐改用“镀纯锡”的方式,以代替锡铅的合金镀层了。

1.配方
事实上二价锡的酸性镀锡制程,早于20多年前即已广用于电子零件脚,为增进焊锡性的电镀上,并非什么新兴事物。如今转用于PCB耐蚀刻的新任务上,目的更为单纯,根本无需理会“光泽锡”那种低温(15℃)的复杂管理,所需的只是简易的露面锡层而已。以下即为此类槽液的代表配方:
组成份 配槽量 最佳参数
硫酸亚锡SnSO4.2H2O 35-45g/l 15g/l
二价锡离子 19-25g/l 14-22g/l
硫酸:CP级 8.3-11.1% 10%(180g/l)
抗氧化剂(以对一苯二酚Hydroquione为代表) 2.0-3.0g/l 2.5g/l
湿润剂(以Triton-X-100为代表) 40mil/l 40mi/l
液温 20-30℃ 23℃
阴极电流密度 10-24ASF 18ASF

2.讨论
成本便宜——
从上述配方可知,用于配槽的硫酸,在价格上已远比氟硼酸及有机磺酸更为便宜,这当然是由于不再用“铅”的关系。无论在建浴配槽或是后续的维护补充上,硫酸都是最经济的。其槽液部份的成本只占氟硼酸槽液的要半,比起甲基磺酸槽液来更在一半以下。

性能及效率较差——
因雾状纯锡层的耐蚀性略逊于锡铅合金镀层,故在15-20ASF时,要镀到10分钟以上才能达到安全厚度的0.15mil。电流密度增加时分布力(Throw-ing Power)反而变差,而现行的氟硼酸镀锡铅在25ASF下,只需5-6分钟即可完全耐蚀,纯锡在流程上似乎也居于不利地位。且因高电流密度处之发气显著,使得锡层的成长反反比低电流处还差。若仅就电镀观点而言,硫酸锡槽液在分布力、阴极效率、及管理难易上,的确都不如Hi-THROU的氟硼酸液,甚至也不如甲基磺酸液,极待改善及推广。

槽液中有溶剂存在——
由于高电流处抑制在发(Whisker)的添加剂是非水溶性的,需用混合醇类(如甲醇或异丙醇等)先加以溶解才行,如此将使得槽液中的溶剂多达2-3%,比起甲基磺酸锡铅槽液中更多。对于一般油墨阻剂将会形成攻击,而令PCB及槽液同时受到影响。且在高电流密度处也易产生氢气,不但难以镀上锡层,反而助纣为虐连手攻击油墨。最好的对策是改采干膜做为阻剂,或将油墨彻底烤干,以避免被槽液中的溶剂所伤害。紫外线硬化之油墨尤其不能使用。

四价锡处理的麻烦——
槽液中的“二价锡”原不稳定,在空气的外在氧化下,将逐渐地出现“四价锡”的细微沉淀粒子,对镀锡质量有相当的影响。由于粒子很细过滤机有时也帮不上忙,此时可采架高式的“备用槽”协助处理。在休工时可将槽液抽入此备槽中,其槽底刻意加装2-3片洞口交错的“多孔塑料板”,当静止液中的四价锡微粒全数下沉,透过开孔落入底层时,即可由“孔板”上方的水口放出澄清槽液流回镀槽使用。一般“四价锡”粒子很难滤清,即使加入特定的沉降剂(如Polyacrylamide)及活性炭辅助过滤,并再执行弱电解工序各种动作之下,仍难以维持澄清多久。反而一旦因处理所加的外物清除未尽时,其影响镀层质量的负面效果却一定会出现。

全新做法——
此种二价锡槽先天性产生四价锡的问题,其恶习化速率还会随操作而为之加倍。此乃因阳极出现初生态氧的缘故,使得附近的四价锡频频产生。据大陆业界的研究报导,一种“硫酸高铈”(Ce(SO4)2)的化学品,有抑制上述阳极附近氧化反应的效果,在阴极上又不会与锡形成共镀,是一种不损耗型相当理想的添加剂。至于国外的论文,在这方面至令尚绝少述及。

剥锡及其处理——
蚀刻后线路上的剥锡作业,可用13-15%的盐酸为主液,另加少量铜离子及双氧水(采甲基苯磺酸钠或酚磺酸钠为双氧水安定剂)当成加速剂,槽液的安定剂则可采用“间一硝基苯磺酸钠”(15g/l),如此将可加快速率及延长用期。现场可采浸蚀及喷锡两种方式进行。比起含氟或含硝酸的锡铅剥除液来,此等稀盐酸及氯化锡,在废弃物处理及排放水的限制上,都要容易且便宜的多了。一般含氟含硼及含铅的废水,要做好处理是很不容易的事,若要严格执行时,则成本将会更为高涨。

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