化學鍍錫的工藝及沉積機理初探

陳家偉++張曉龍++李浩南

摘 要：本文從理論上系統地分析了酸性氯化物化學鍍錫的沉積機理，同時闡述了還原劑法化學鍍錫和岐化反應法化學鍍錫過程的基本原理。

關鍵詞：化學鍍錫；沉積機理；工藝

一、鍍錫

錫是一種銀白色的金屬，無毒，具有良好的焊接性和延展性。廣泛地應用于電子、食品、汽車等工業。鍍錫是在工件表面均勻的涂上一層可焊性良好并具有一定耐蝕能力的涂層，電子元件、印制線路板中廣泛應用。

二、化學鍍錫工藝

化學鍍錫工藝以鍍液的PH值分類，分為酸性鍍液工藝和堿性鍍錫工藝兩大類。

（一） 酸性鍍液工藝

酸性鍍錫的優點是鍍速快。鍍層光亮細致，深鍍能力好。鍍液對雜質容忍力強，室溫操作節省能源。缺點是鍍液的分散能力較差，鍍層孔隙率較高。

酸性鍍錫中因導電介質不同又分為硫酸鹽鍍錫、氟硼酸鹽鍍錫、氯化物鍍錫等工藝。硫酸鍍錫成本低，鍍液易于控制，鍍層光亮細致，但分散能力較差。市場應用最為廣泛。氟硼酸鹽鍍錫的優點是鍍速快，可使用較大電流，鍍液穩定性好。廣泛用于線材、帶材的連續性電鍍。缺點是鍍液成本高，毒性大，廢水處理困難。氯化物鍍錫主要在晶紋鍍錫，優點是成本較低，鍍液穩定，鍍層潔白。缺點是電流開不大。

（二）堿性鍍錫工藝

堿性鍍錫的優點是：成分簡單，鍍液分散能力好，鍍層細致，孔隙少，釬焊性能好。缺點是：操作溫度高，能耗大，電流使用范圍窄，電流效率低，不能獲得光亮鍍層，鍍層硬鍍小，陽極行為影響大。

堿性鍍錫因所用絡合劑不同又分為錫酸鹽鍍錫和焦磷酸鹽鍍錫兩種。錫酸鹽鍍錫成分簡單，主鹽采用錫酸鈉，也有使用錫酸鉀的。后者的溶解度較大，可以使用較大的電流密度，生產效率高，但成本較高。絡合劑采用氫氧化鈉（或氫氧化鉀）。這種工藝所獲得的鍍層是潔白不光亮的。市場上慢慢地被酸性光亮鍍錫所取代。焦磷酸鹽鍍錫因成本高使用上受到限制。但它的PH值呈弱堿性，適合在鋁合金件和鋅合金件上電鍍。

三、化學鍍錫的沉積機理

化學鍍錫是在酸性環境下，溶液中的亞錫離子在還原劑的作用下在催化活性表面上的沉積過程，是無電解反應。一般的化學鍍方法專指用還原劑施鍍，不包括浸鍍和接觸鍍。通過相關文獻，一般認為化學鍍錫工藝經歷三個歷程：1.置換階段；2.金屬間化合物形成階段；3.自催化沉積階段；化學反應初級階段金屬的沉積期為錫與銅的置換反應期。但這個置換反應過程：Sn2++Cu→Sn↓+Cu2+

由于其銅的電位E0（Cu2+/Cu）=0.34V比錫E0（Sn2+/Sn） = -0.14V正，根據熱力學原理分析，從銅上直接置換出鍍液中的錫是根本不可能的。要實現此過程必須加入相應的銅離子絡合劑或電位調整劑，與銅離子形成穩定的絡合物后使銅的電位大幅度負移。選用特定的絡合劑后，使銅、錫的電位發生了變化，鍍液中絡合劑的濃度達到一定值時，銅的電位開始低于錫的電位，使初期的銅錫置換反應得以發生：

Cu2+ +絡合劑→ [Cu（配位體）]2+

Sn2++Cu→Sn↓+Cu2+[配位體]

由于置換反應式與基體表面發生的，因而反應生成的鍍層厚度很薄，并且當提提表面完全生產一層錫之后，該反應就會立即停止。與此同時，在置換錫層表面，溶液中的還原劑與錫離子配位體在固/液相界面會發生一些列的氧化一還原反應，使錫的連續自催化沉積得以順利進行。隨著反應的繼續，鍍層的厚度不斷增加，體系中的銅錫合金相相應的逐漸減小，得到連續的錫沉積層，直到反應中活性物質完全消耗，反應才會終止。

四、化學鍍錫存在的問題及解決方法

盡管化學鍍錫優異的性能使其在印刷線路板等領域具有很好的應用前景。但是對化學鍍錫工藝的研究剛剛開始，其發展水平總體還處于基礎研究階段，還存在一些問題，例如，化學鍍錫沉積速率慢。鍍層里較薄，目前人不能滿足人們對其釬焊性能或耐腐蝕性能要求；而且錫層表面存在發灰，發黑等現象，使其應用受到限制，因此，體高鍍錫層厚度，并使鍍層表面光潔平整，對于擴展化學鍍錫的應用領域有著重要的理論和實際價值。

五、化學鍍錫添加劑理論

化學鍍錫是通過體系鍍液中的還原劑提供電子，從而使被鍍金屬離子還原為金屬的過程。由于還原劑與金屬離子同時存在于溶液中，如果沒有一定的控制，該氧化一還原體系反應發生迅速，且得到的鍍層呈現粉末狀的沉積物，不具備鍍層的利用價值，因此化學鍍錫液需要一些特定的添加劑等來控制沉積速度和改變鍍層質量。

化學鍍錫中所用的添加劑也含有電鍍錫添加劑的三種必要成分，包括穩定劑、分散劑、促進劑和光亮劑等。研究表明自催化反應速率如果較快時，形成的晶核質量就差，相應的鍍層就會出現粗糙或粉末鍍層，加入了對應的穩定劑之后，一方面可以抑制鍍液的自分解作用；另一方面還可以控制反應的進行速率，有利于到優良鍍層。常用的穩定劑有：一些含硫的無機物或有機物，如硫代硫酸鹽、硫脈及其衍生物；重金屬離子；不飽和脂肪酸如馬來酸、烷基磺酸鹽等；酚類。穩定劑吸附在電極表面從而阻滯金屬離子的還原過程，來得到致密的結晶鍍層。相應的，有時候鍍液的反應速度很慢，這時候就需要在體系中加入一定量的促進劑來提高鍍速，以減少滿足鍍層厚度要求所需的時間。如常用的氨基乙酸，除了能起到絡合劑的作用，還能加速鍍液反應，短鏈的飽和脂肪酸液也有促進劑的作用。

錫合金鍍層是可焊性良好并具有一定耐腐蝕性的鍍層，易可焊，化學穩定性極高，抗氧化能力強，鍍層按用途可分為功能性。裝飾性及，防護性三類錫基合金鍍層，在電子，國防，機械，食品工業等領域應用廣泛。