電鍍金錫合金的影響因素

林玉敏，彭挺，戴廣乾，邊方勝

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所，四川 成都 610036）

金錫合金具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能和機(jī)械性能，較低的熔點(diǎn)(280 °C，與Au–Ge、Au–Si相比)和回流溫度，熔化后黏度低、潤(rùn)濕性好，焊接無(wú)需助焊劑(在真空或N2/H2氣氛下進(jìn)行)等優(yōu)點(diǎn)[1]，被廣泛應(yīng)用于大功率散熱元器件的裝配和封裝，如LED(發(fā)光二極管)、激光二極管、RF(射頻)功放、氣密封裝、三維堆疊等。

如表1所示，與目前應(yīng)用最廣泛的無(wú)鉛焊料Sn96.5Ag3.5和有鉛焊料Sn63Pb37相比，Au80Sn20的熱導(dǎo)率最高，拉伸強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度是另外2種焊料的數(shù)倍，適用于散熱要求高和長(zhǎng)期可靠性要求高的元器件裝配。另外，Au80Sn20的CTE(熱膨脹系數(shù))最低，可以作為芯片與金屬/陶瓷載板或腔體的過(guò)渡層，降低因CTE不匹配而導(dǎo)致的可靠性問(wèn)題。

表1 3種典型焊料的性能對(duì)比Table 1 Comparison in properties between three typical types of solders

金錫合金的制備方法主要包括焊膏回流、焊料預(yù)制片、蒸發(fā)、交替電鍍、合金電鍍等。綜合考慮成本、工藝難度、與微小尺寸電路兼容性等因素，合金電鍍是最優(yōu)選擇。本文主要探討了影響金錫合金鍍層的主要因素，根據(jù)XRF(X射線熒光檢測(cè)儀)的測(cè)量結(jié)果來(lái)調(diào)整鍍液離子濃度、電流密度、電鍍時(shí)間等參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)鍍層厚度和組分比例的目標(biāo)值。

1 金錫合金組分比例與熔點(diǎn)的關(guān)系

如圖1[2]所示，Au與Sn質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比為80∶20時(shí)，金錫合金的熔點(diǎn)最低，為278 °C。當(dāng)合金中錫含量升高時(shí)，其熔點(diǎn)緩慢上升，在Sn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到38.1%時(shí)升至419.3 °C；當(dāng)合金中錫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于20%時(shí)，隨Sn質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降，其熔點(diǎn)急劇上升，在14.1%時(shí)合金熔點(diǎn)達(dá)到532 °C。根據(jù)合金相圖可以估算出當(dāng)Sn質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在18% ～ 25%范圍內(nèi)時(shí)，合金的熔點(diǎn)為280 ～ 320 °C，此時(shí)金錫合金與金屬之間的潤(rùn)濕性良好，焊接時(shí)易形成穩(wěn)定的IMC(金屬間化合物)層。

圖1 金錫合金相圖[2]Figure 1 Phase diagram of Au–Sn alloy [2]

2 影響電鍍金錫合金的主要因素

2.1 電鍍?cè)O(shè)備

電鍍金錫合金設(shè)備除了需要加熱、陰極搖擺、循環(huán)過(guò)濾等電鍍共性功能之外，還需要具備N2保護(hù)和除氧過(guò)濾功能。

電鍍液為氰化物體系，不能采用氣體攪拌，保證每小時(shí)循環(huán)3 ～ 5次即可。另外對(duì)濾芯要求高，濾徑在0.2 ～ 0.4 μm范圍內(nèi)，且為了保證濾芯長(zhǎng)期使用后析出的離子不會(huì)污染鍍液，建議采用全氟體系材料。

因產(chǎn)品的待鍍面積較小(一般僅幾百到幾千平方毫米)，電流密度會(huì)直接影響金錫合金的組分，因此對(duì)整流器的精度要求較高，一般需要精確到1 mA。

在電鍍過(guò)程中，只有二價(jià)錫會(huì)參與金錫合金的生成。因與空氣接觸時(shí)，鍍液中的二價(jià)錫會(huì)不斷被氧化為四價(jià)錫，當(dāng)四價(jià)錫濃度超過(guò)上限時(shí)必須更換槽液。為了減緩二價(jià)錫的氧化，應(yīng)減少槽液與氧氣接觸，建議將槽體設(shè)計(jì)為近密封結(jié)構(gòu)，并且通N2保護(hù)鍍液。另外，鍍液中仍會(huì)溶解一些氧氣，可以在設(shè)備上安裝除氧過(guò)濾裝置，進(jìn)一步延長(zhǎng)槽液的使用壽命。

2.2 電鍍夾具

電鍍合金與電鍍單一金屬最大的不同在于電流密度不僅影響鍍層的厚度，還直接影響合金中各組分的比例。因此，為了保證電鍍金錫合金版內(nèi)和版間的一致性，電鍍夾具的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。

為了降低夾具自身電阻對(duì)電流密度的影響，建議采用鈦包銅材料對(duì)主體框架進(jìn)行加工。為使電流在版內(nèi)均勻分布，一般采用多點(diǎn)加電的方式。以2 in(約5.08 cm)方片為例，至少需4點(diǎn)加電(見(jiàn)圖2)。因待鍍面積有限，故除電鍍夾具觸點(diǎn)外都要包膠，避免存在漏電點(diǎn)。夾具上設(shè)置鍍液交換孔，保證待鍍產(chǎn)品表面的離子濃度與鍍液一致。

圖2 電鍍夾具示意圖Figure 2 Schematic diagram of clamp for electroplating

2.3 電鍍工藝參數(shù)

電鍍金錫合金的典型工藝參數(shù)見(jiàn)表2。溫度一般設(shè)定在推薦的最優(yōu)值。pH可以采用廠家推薦的酸堿溶液進(jìn)行調(diào)整，但要注意pH是工作溫度下的實(shí)測(cè)值，非室溫值。

表2 電鍍金錫的典型工藝參數(shù)Table 2 Typical process parameters for gold–tin alloy electroplating

為了保證金錫合金比例，每班都需要對(duì)鍍液中Au+和Sn2+含量進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整鍍液。Au+和錫離子(包括Sn2+和Sn4+)可用ICP(電感耦合等離子體)或AAS(原子吸收光譜法)進(jìn)行分析。一般采用滴定法分析Sn2+的濃度，先配制待分析液(10 mL槽液 + 50 mL去離子水 + 30 mL濃鹽酸)，再采用溴化鉀溶液(Br?0.05 mol/L，當(dāng)量濃度0.1 N)進(jìn)行滴定，利用ORP計(jì)(氧化還原電位計(jì))觀察氧化還原電位，當(dāng)電位發(fā)生突變時(shí)就是滴定的終點(diǎn)，然后按式(1)計(jì)算Sn2+的質(zhì)量濃度[ρ(Sn2+)]。分析出的錫離子質(zhì)量濃度[ρ(總錫)]減去ρ(Sn2+)即得四價(jià)錫離子質(zhì)量濃度[ρ(Sn4+)]，從而判斷槽液中二價(jià)錫的氧化速率，并預(yù)估槽液壽命。

式中V指消耗的溴化鉀溶液體積(單位：mL)。

當(dāng)鍍件的待鍍面積相差懸殊時(shí)，不可同一批混鍍，否則不同待鍍面積鍍件表面分布的實(shí)際電流密度相差很大，導(dǎo)致金錫合金組分相差懸殊，極易造成鍍層性能差和產(chǎn)品合格率偏低。將待鍍面積為392 mm2的圖形電鍍方片與待鍍面積為2 500 mm2的整版鍍件進(jìn)行同批次電鍍，并如圖3所示分析各自不同位點(diǎn)的金錫合金層厚度和組成，結(jié)果見(jiàn)表3和表4。圖形電鍍產(chǎn)品合金中Au的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(75 ± 1)%，厚度為(7.5 ± 1) μm，整版電鍍產(chǎn)品合金中Au的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(80.5 ± 2)%，厚度為(5.7 ± 1) μm。可見(jiàn)，雖然2種產(chǎn)品是同批次電鍍，但它們的金錫合金鍍層組分和厚度相差懸殊。因此，在電鍍之前應(yīng)根據(jù)電鍍面積對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分類，待鍍面積相近的產(chǎn)品方可同批次電鍍。

圖3 圖形電鍍(a)和整版電鍍(b)產(chǎn)品的測(cè)試點(diǎn)分布Figure 3 Distribution of test points on electroplated pattern (a) and panel (b)

表3 圖形電鍍金錫合鍍層的厚度和組成Table 3 Thickness and composition of Au–Sn alloy coating electroplated on pattern

表4 整版電鍍金錫合金鍍層的厚度和組成Table 4 Thickness and composition of Au–Sn alloy coating electroplated on panel

3 金錫合金鍍層的性能檢驗(yàn)

金錫合金鍍層的2個(gè)主要性能指標(biāo)就是合金組分比和厚度。這兩個(gè)指標(biāo)都可采用XRF進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)精度取決于建立程序所使用的標(biāo)樣。金錫合金的種子層一般為Au，厚度約0.5 μm，種子層下方為焊接阻擋層，可選擇Ni、Pt、Pd等。在建立測(cè)試分析程序時(shí)，需要考慮金種子層的厚度，因?yàn)槠渲苯佑绊懛治鼋Y(jié)果。裝配的元器件或腔體、載板等表面鍍層也是Au，因此焊接時(shí)電鍍金錫合金的組分會(huì)發(fā)生變化(Au含量升高)。為了保證金錫合金在280 ～ 320 °C內(nèi)可以熔化并可返修，基板表面電鍍金錫層需要富錫，具體組分比例要根據(jù)金種子層的厚度和待裝配元器件的金層厚度來(lái)確定。

利用XRF分析鍍層后，還需要用熱臺(tái)做輔助考核，考核氣氛為N2，溫度一般設(shè)置為310 °C。金錫合金熔化后表面光亮，與種子層浸潤(rùn)的面積分?jǐn)?shù)大于95%時(shí)為合格，如圖4所示。

圖4 熱臺(tái)考核前(左)、后(右)的金錫合金鍍層Figure 4 Au–Sn alloy coating before (left) and after (right) being tested on hot plate

如果鍍層組分偏離目標(biāo)值，最有效的方法是調(diào)整電流密度。一般隨電流密度升高，錫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，反之下降。

4 結(jié)語(yǔ)

金錫合金電鍍工藝難度較大，設(shè)備、電鍍夾具、電鍍工藝參數(shù)都會(huì)影響合金比例。為使鍍液壽命最大化，建議使用氮?dú)獗Ｗo(hù)和除氧過(guò)濾裝置。不僅要根據(jù)電鍍產(chǎn)品的特點(diǎn)來(lái)合理設(shè)計(jì)電鍍夾具，使電流密度均勻分布，保證版內(nèi)和版間合金組分的一致性，而且要根據(jù)待鍍面積的不同，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分類分批電鍍，最后利用XRF進(jìn)行鍍層分析和熱臺(tái)輔助驗(yàn)證，通過(guò)調(diào)整電流密度、鍍液離子濃度、電鍍時(shí)間等使合金組分達(dá)到目標(biāo)值。