BSn-500弱酸性镀锡工艺

摘要：针对陶瓷和玻璃电子元件，开发了BSn-500弱酸性镀锡工艺。介绍了工艺的操作条件、流程和重点工序，讨论了镀液中配住荆、导电盐、甲基磺酸亚锡和添加剂等物质的作用，检测了镀液和镀层的性能。结果表明，谊镀液性能稳定，分散能力、覆盖能力较好；镀层附着强度高，抗变色能力强，可焊性符合GB/T 16745-1997要求。

关键词：弱酸性镀锡；陶瓷；玻璃；导电盐

l  前 言

锡铅合金作为可焊性镀层在电子电气工业中已使用多年，如印刷电路板、电子、电气元件，半导体组件、IC引线框架等。但随着近年来人们对健康和环境问题越来越重视，铅的危害性也逐渐为大众所了解。因而世界各国不断颁布日趋严格的法令来限制电子产品中铅的应用，这其中欧盟和日本都已经严格限制了铅的使用年限。

因此，自20世纪90年代后期至今，国内外电镀工作者都在积极开发替代锡铅电镀的无铅电镀工艺，可能的替代工艺有纯锡工艺、锡铜工艺、锡银工艺、锡铋工艺等。纯锡工艺具有镀层成分单一，与各种无铅焊料易于匹配，适用范围广等优点，且电镀液相对简单，维护和管理方便，成本较低，便于推广应用，很快在电子行业得到认可。

但这些纯锡工艺通常为酸性硫酸盐工艺或磺酸盐工艺(pH<1)，对玻璃或陶制电子元件有一定腐蚀性。针对这种情况，笔者所在研究所开发了BSn-500弱酸

性(pH=2．3～3．5)镀锡工艺，镀液由开缸剂、甲基磺酸亚锡和补充剂组成，此工艺特别适合电镀片状电容、片状电感、片状热敏电阻、多端子部件、复合片状部件等玻璃或陶制电子元件，其显著特点有镀层无铅、镀液不腐蚀基材、稳定性好、分散能力好、不容易产生贴片现象等。

2 BSn-500弱酸性镀锡工艺研究

对于玻璃或陶制电子元件，为了避免镀锡过程中基底材料或中间镀层的腐蚀，必须使用弱酸性或中性镀锡溶液。国内外知名公司，如罗门哈斯、仁川化学、美坚化工等都做了相关的研究，并推出了部分产品。

2．1 镀液组成及操作条件的影响

2．1．1 开缸剂

开缸剂中含有配位剂、导电盐、分散剂和Sn2+稳定剂等，其作用是导电、络合锡离子；增大阴极极化，使镀层结晶细致：稳定Sn2+，防止其氧化及后续水解；稳定溶液的密度。

2．1．1．1配位剂

配位剂为柠檬酸钠(钾)、酒石酸钠(钾)、葡萄糖酸钠(钾)、苹果酸钠(钾)、EDTA等。通过试验选取柠檬酸钠和葡萄糖酸钠混合物作为配位剂，使用量80～200g／L，浓度太低时，络合能力低，镀液不稳定；浓度太高时，缩小使用电流密度范围。

2．1．1．2 导电盐

导电盐为硫酸钠(钾)、甲基磺酸钠(钾)、苯磺酸钠(钾)等，稳定性试验确定甲基磺酸钠和苯磺酸钠混合物做导电盐，使用量20～100g／L，浓度太低时，镀液导电性差，使用电流密度较小：浓度太高时，容易从镀液中析出，镀层易产生毛刺。

2．1．1．3 分散剂

分散剂可提高镀液的分散能力。这些分散剂为含有EO、PO或者同时含有EO和PO链接的醇类、酚类及其衍生物。试验中选取双酚乙氧基化合物和双酚丙

氧基化合物混合物作为分散剂，使用量2—6mL／L，浓度太低时，镀层结晶较粗糙；浓度太高，镀层有机物夹杂量大，影响镀层的可焊性。

2．1．1．4稳定剂

镀液中的Sn2易氧化成Sn4+，Sn4+影响镀液和镀层性能，必须加入抗氧化剂来抑制Sn2的氧化，保持镀液稳定。抗氧化剂有对苯二酚、邻苯二酚、间苯二酚、萘酚、抗坏血酸、羟基苯磺酸及其盐类。根据多次试验选取邻苯二酚与羟基苯磺酸的混合物作为抗氧剂，使用量为0．5~2g／L，过低没有效果，过高降低电流效率。

2．1．2 二价锡离子

二价锡离子是镀液的主要成分，含量高时，可操作电流密度增大，但镀液的覆盖能力和分散能力下降，不利于电镀复杂电子零件：含量低时，镀液的覆盖能

力和分散能力增加，但可操作电流密度变小，会发生阴极析氢，电流效率降低。表1为开缸剂500mL／L，pH=3．0，温度25。C条件下不同锡离子浓度下的赫尔槽试片情况。由表I结果可知，本工艺锡离子浓度控制在12～18g／L为佳。

2．1．3 BSn-500补充剂

BSn-500补充剂含有分散剂、防烧焦剂、絮凝剂、Sn2+稳定剂等，维持镀层光滑及镀液覆盖能力。在电镀过程中与开缸剂同时补加，以获得满意的镀层。

2．1．4 pH

pH较低，镀层结晶会更好，但可能腐蚀玻璃或陶制电子元件；pH高，对玻璃或陶制电子元件腐蚀性弱，但镀层结晶粗糙，溶液稳定性变差。pH一般控制在2．3~3．5，pH的调节可以采用甲基磺酸或200g／L的氢氧化钠溶液。

2．1．5 温度

试验表明，提高镀液的温度，可提高镀液的使用电流密度和分散能力，但如果温度过高，低电流密度区容易出现漏镀：降低镀液温度，可提高镀液的稳定性和覆盖能力，但如果温度过低，镀液的分散能力和可操作电流密度降低，高电流密度区容易烧焦发暗。表2为开缸剂500mL／L，pH=3．0，二价锡离子15g／L

条件下，不同温度下的赫尔槽试片情况。由表2结果可知，本工艺温度一般控制在20～30℃。

2．1．6 电流密度

赫尔槽和小槽试验表明，本工艺的电流密度控制在0．1~1．0A／dm2较佳。电流密度过高，电流效率下降，高电流密度区容易烧焦；电流密度过低，低电流区容易漏镀，同时析氢增加，效率下降。综合以上试验结果，确定了BSn-500弱酸性镀锡工艺的操作条：
 

2．2 工艺流程及重要工序说明

2．2．1 工艺流程

镀件前处理一水洗一纯水洗一预浸(25％一40％BSn-500开缸剂)一镀锡一水洗一浸BSn-2006锡保护剂一2次水洗一纯水洗一烘干一检验。

2．2．2 重点工序说明

在电镀之前，用BSn-500开缸剂的溶液作为预浸液，因为它能在滚镀的操作条件下，减少镀液浓度的下降，当预浸液的浓度等同于镀液时，就能获得最佳效果，预浸液的BSn-500开缸剂的体积浓度应在250—400mL／L(25％～40％)。

镀锡后应立即清洗，防止镀液在工件表面残留，引起锡镀层变色。

BSn-2006锡保护剂工艺是应用于电子镀锡元件的沉浸式后处理工艺，经此工艺处理后，能形成均匀稳定的表面结构，抑制电子元件放置过程中和回流时的

变色问题，保护锡镀层的焊锡性。浸BSn-2006锡保护剂工序的组成和操作条件为：500mL／L BSn-2006锡保护剂，室温，0．5～1min。

3 工艺性能测试

3．1 镀液性能

3．1．1 镀液稳定性试验

BSn-500镀液在1L镀槽中进行稳定性试验。经过100A·h以上的稳定性试验，镀液依旧保持澄清；赫尔槽试片与新开缸相比没有变化。

3．1．2 分散能力

赫尔槽试验法测定分散能力，结果如表3。条件为0．2A，25℃，20min。

3．1．3 覆盖能力

采用“内孔法”时，电流0．5A，电镀时间20min，BSn．500镀液覆盖能力为100％。

采用赫尔槽方法时，电流0．1A，温度25℃，电镀时间5min，BSn-500工艺全片上镀。

3．1．4  电流效率

恒电流计时法，采用挂片(Idm)称重(分析天平)的方式分别测量0．2A／dm2、0．5A／dm2和1．0A／dm2下电镀IA·h的电流效率，结果如表4。

3．2 镀层性能

3．2．1 镀层结合力

按照国家标准GB／T5270-1985规定的方法对黄铜基体镀层的结合力进行检测，无论弯曲试验还是150℃的热震试验，镀层无起泡、脱落等现象，表明镀层与基体金属间具有较好的结合力。

3．2．2  镀层的抗变色能力

把采用BSn-500弱酸性镀锡工艺电镀的样品[厚度为(10±2)um]放入烘箱中，150℃条件下连续烘烤48h，未出现发黄现象。

3．2．3 镀层的可焊性

经BSn-500工艺电镀的样品[厚度为(10±2)um]，按照GB／T16475—1997《金属覆盖层产品钎焊性的标准试验方法》进行可焊性试验，试样超过95％以上的焊料覆盖层附着牢固、光亮、平滑、均匀。

4 结 论

针对片状电容、片状电感、片状热敏电阻等玻璃或陶瓷电子元件开发的BSn-500弱酸性镀锡工艺，不腐蚀基材，镀液泡沫少，不容易产生贴片。本工艺镀

液稳定，分散能力、覆盖能力较好，维护管理较容易，成本较低；镀层结合力强，抗变色能力强，可焊性好；适合在生产中推广使用。

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