肖火亮 肖金輝 肖錫歡

（江西景旺精密電路有限公司，江西 吉安 343000）

0 引言

汽車電子產(chǎn)品對印制電路板（printed circuit board，PCB）的可靠性有非常高的要求，其中，化學(xué)鍍錫的厚度是一個很關(guān)鍵的指標(biāo)?；瘜W(xué)鍍錫相對熱風(fēng)整平焊錫、化學(xué)鍍鎳金及化學(xué)鍍銀等表面處理方式，在焊接性、平整度、保存期限和成本等方面綜合優(yōu)勢明顯，汽車電子產(chǎn)品在PCB 的表面處理方式選擇上也一直青睞于化學(xué)鍍錫。本文選取錫液濃度、錫槽溫度和過板線速等主要工藝因素對錫厚變化進行了系統(tǒng)性研究，并對X 射線（物理方法）和庫侖分析方法（化學(xué)方法）這兩種不同的錫厚測量方法進行了探討。

1 化學(xué)鍍錫的原理

化學(xué)鍍錫是通過Sn2+和Cu 發(fā)生置換反應(yīng)，使Sn2+被還原成Sn，沉積到銅面上形成一層致密錫面，從而起到保護銅面作用的一種表面處理工藝。理論上，Sn2+與Cu 無法發(fā)生置換反應(yīng)，因為Sn 相對Cu 更活躍，Cu+/Cu（0.512 V）和Cu2+/Cu（0.341 9 V）兩者的標(biāo)準(zhǔn)電極電位比Sn2+/Sn（0.137 5 V）的標(biāo)準(zhǔn)電極電位高出很多，無法實現(xiàn)銅置換錫。

通過硫脲起銅離子絡(luò)合劑及還原劑的作用，將Cu+形成穩(wěn)定的絡(luò)離子［Cu（NH2CSNH2）4］2+、［Cu（NH2CSNH2）4］2+，從而降低標(biāo)準(zhǔn)電極電位，使錫、銅發(fā)生置換反應(yīng)，其反應(yīng)化學(xué)方程式為

化錫后的電路板表面金屬層并非只存在金屬錫和銅兩種結(jié)構(gòu)。其中，最外層是金屬錫，次外層是錫銅合金，最底層是金屬銅，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。在化錫過程中，銅被氧化成Cu2+，隨著化錫時間的延長銅厚逐漸降低，而被還原沉積在銅表層的錫厚呈遞增的趨勢，化錫時間與錫厚的關(guān)系示意圖如圖2 所示。當(dāng)化錫反應(yīng)時間為1 min 時，對應(yīng)的錫厚為0.20 μm，化錫時間延長至20 min時，對應(yīng)的錫厚為1.13 μm。

圖2 化錫時間與錫厚變化

2 錫厚的測量方法

2.1 X射線熒光光譜法

X 射線熒光光譜法可以測量鍍層中單質(zhì)錫和融入到合金層的錫厚度之和，精密度取決于使用的參考標(biāo)準(zhǔn)片情況，可以測量總的錫厚。該方法適用于PCB 制造工廠和表面貼裝技術(shù)（surface mounted technology，SMT）貼片廠，可以測量PCB 成品任意位置的錫厚（建議焊盤尺寸≥1.5 mm×1.5 mm）。

2.2 化學(xué)方法

化學(xué)方法是指使用不同的溶解液剝離鍍層，剝離過程產(chǎn)生對應(yīng)的電位差，然后以化學(xué)或儀器分析方法測量金屬離子含量，從而測定總錫厚和純錫厚。庫侖分析方法就是利用這個原理測量錫厚的。

2.3 連續(xù)性電化學(xué)還原分析法

連續(xù)性電化學(xué)還原分析法（sequential electrochemical reduction analysis，SERA）運用基本的電化學(xué)原理，可以分別測定氧化層、純錫層和合金層的厚度。

3 化學(xué)鍍錫錫厚影響因素

3.1 錫槽溫度與錫厚的關(guān)系

選取66～70 ℃溫度區(qū)間進行試驗，控制過板速度與藥水濃度不變，錫槽溫度越高，沉積的錫厚越厚。這是因為反應(yīng)溫度升高，可以促進化錫反應(yīng)的進行，加快錫沉積在銅表層的速率。經(jīng)試驗驗證，錫槽溫度對錫厚變化有顯著的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 錫槽溫度對錫厚的影響

3.2 過板速度與錫厚的關(guān)系

在控制錫槽溫度和藥水濃度不變的情況下，通過降低線路板化錫的過板速度，觀察錫厚的變化，結(jié)果如圖4所示。由圖4可見，隨著化錫過板速度的降低，線路板在錫槽浸泡的時間延長，使錫、銅之間發(fā)生置換反應(yīng)的時間更充裕，化錫的錫厚沉積也就更厚。

圖4 浸泡時間對錫厚的影響

3.3 Sn2+濃度與錫厚的關(guān)系

保持錫槽浸泡時間和錫槽溫度不變，改變Sn2+濃度，觀察錫厚的變化，結(jié)果如圖5 所示。Sn2+濃度在26～36 g/L 范圍內(nèi)變化時，錫厚出現(xiàn)無規(guī)律性的變化。原因為銅置換錫的反應(yīng)通過硫脲起催化作用進行，而硫脲催化效果主要受反應(yīng)溫度、硫脲含量和反應(yīng)體系酸堿度的影響，微量改變錫離子濃度對化錫沉積速率的影響不大。

圖5 錫離子濃度對錫厚的影響

3.4 硫脲含量與錫厚的關(guān)系

在其他條件保持不變的情況下，硫脲含量在5.0～7.0 mol/L 范圍內(nèi)上升時，錫厚會相應(yīng)地增加，結(jié)果如圖6 所示。原因為絡(luò)合劑含量增加有利于促進絡(luò)銅離子的形成，將銅離子形成穩(wěn)定的絡(luò)離子［Cu（NH2CSNH2）4］2+、［Cu（NH2CSNH2）4］2+，加快化錫置換反應(yīng)的進行，從而提高錫層的沉積速率。

圖6 硫脲含量對錫厚的影響

3.5 藥水負(fù)載

使用裸銅板進行化錫，模擬超正常藥水負(fù)載測試錫厚的變化，結(jié)果如圖7 所示。從圖中可以看出，在短時間內(nèi)（30 min），連續(xù)超正常藥水負(fù)載下生產(chǎn)錫厚無明顯差異，最大差值為0.025 μm，平均錫厚為1.124 μm。

圖7 錫厚與藥水負(fù)載的關(guān)系

4 不同測量方法和儀器條件下錫厚測量的差異

4.1 采用X 射線與庫侖分析方法測量的差異

對同一試驗板、相同測試點分別用X 射線和庫侖分析方法測量，測出錫厚平均值如圖8 所示。結(jié)果表明，通過X 射線測量的錫厚值要高于庫侖分析方法測量，而采用庫侖分析方法較X 射線重復(fù)測量錫厚的測量結(jié)果穩(wěn)定性更好。

圖8 采用X射線與庫侖分析方法測量的差異

4.2 銅面粗糙度對X射線測量錫厚的影響

銅面粗糙度越大，通過X 射線測量的錫厚值越低（不同樣品在同一時間、同一狀態(tài)化學(xué)的錫槽制作）。銅面粗糙度對錫厚測量的影響見表1，錫厚隨銅面粗糙度變化的趨勢如圖9所示。

表1 銅面粗糙度對錫厚測量的影響 單位：μm

圖9 錫厚隨銅面粗糙度變化的趨勢

4.3 不同的底銅厚度對X 射線測量錫厚的影響

化錫中，在其他條件不變的情況下，改變試板底銅值，并對試板進行多個測試點及不同方位的X-ray錫厚測量，求取平均值，結(jié)果見表2。

表2 不同底銅厚度的化錫錫厚

由表2可見：底銅為18 μm時，測出錫厚平均值為1.337 μm；底銅為35 μm 時，測出錫厚平均值為1.116 μm，說明底銅越薄，越有利于化錫錫厚的沉積。

5 結(jié)論

（1）化學(xué)沉錫錫厚受錫槽溫度、浸泡時間和硫脲含量的影響，且呈正相關(guān)影響；錫槽溫度越高、浸泡時間越長、硫脲含量越高，對應(yīng)的化錫錫厚就越厚。

（2）X 射線測量錫厚值與銅面粗糙度及底銅厚度呈負(fù)相關(guān)影響，銅面粗糙度越大、底銅厚度越大，錫厚測量值就越低。

（3）庫侖分析方法測量為純錫厚度，而X 射線測量為總錫厚（純錫厚度+錫銅合金層厚度），故X射線測量值總是高于庫侖分析方法測量值。