防止錫回流變色的連接器電鍍工藝

基于西方和日本等工業國家對生態環境的保護意識的愈趨增強，歐盟禁止鉛和其它有害物質的使用的 WEEE /RoHS指令的生效，以及由中國政府制定的適合自己國情的~RoHS” 法令的即將強制執行，目前在集成線路 /引線框、被動元器件和連接器行業中，純錫電鍍已經成為一種廣為接受的錫鉛電鍍的替代品。但對于連接器的純錫電鍍，通常存在以下問題：當回流溫度從 235 ℃ 提高到 260 ℃時會導致錫變色。而變色后的錫鍍層會呈現較差的外觀，從而導致產品最終不被用戶所接受。

盡管純錫已經成為一種廣為接受的錫鉛可焊性表面的替代品，但是在汽車工業和消費工業中，純錫防止錫回流變色的連接器電鍍工藝的電鍍工藝還是有區別的。光亮錫電鍍的連接器由于有更好的外觀和在熱老化后有更佳的可焊性能而廣泛應用于電腦、手機和其它消費性電子產品中。但是，在汽車工業中，出于產品可靠性的考慮，相對于光亮錫來說霧錫 (無光錫)才是首選?？傊?，即便是霧錫和光亮錫，在回流后錫鍍層的變色也讓人難以接受。因此，也有通過采用鎳層表面再電鍍一層磷鎳 (Ni2 P)合金形成 Ni /Ni2 P雙層鍍層的工藝，來改善鎳層表面純錫的回流變色問題。

錫的回流變色分析

簡單而言，錫的回流變色與錫氧化層的厚度有莫大的關系。當對光亮錫進行不同的熱處理時，會因不同的熱處理條件而產生不同厚度的氧化層。不同處理溫度下連接器，在干燥烘烤后的樣品沒有變色，蒸汽老化試驗后的樣品變黃，而在 260 ℃回流 3次后的樣品則變為紫色。俄歇圖譜表明 ,在 150 ℃下干燥烘烤 24 h后產生的氧化錫厚度約為 50 !。蒸汽老化 12 h后氧化錫約為 250 !，而在 260 ℃回流 3次后，鍍層中氧化膜超過 500 !。這就說明錫處理后的變色與錫氧化物之形成有關，并且變色來源于氧化層的干擾色。干燥烘烤在相對較低的溫度及水氣下進行，因此產生較少的氧化物。而 12 h的蒸汽老化試驗后，由于在較高的濕度下進行，表面的氧化層也較厚。俄歇圖譜顯示氧化層有恒定的 Sn /O比例，這就說明其表面有大量的結晶顆粒發生了氧化反應。而在回流過程中，樣品會經過一段超過錫熔點的溫度區域，其中鍍層達到熔融狀態。其俄歇圖譜顯示盡管在氧化層有比較低的氧含量，但是它卻存在于鍍層的深入處。由此說明在回流過程中氧化反應主要發生在疵點區域及晶粒的邊界。

防止鍍錫層變色的工藝研究

調整晶粒和碳含量

研究發現，更大的結晶粒度、更低的晶粒邊界密度和共沉積碳含量均有助于控制錫的回流變色。因此，新工藝采用了調整晶粒和碳含量的方法。比較新工藝產生的錫層和傳統的光亮錫層的晶體取向結構?？芍c傳統光亮錫相比，盡管新的錫處理工藝所得的錫層具有較大的結晶顆粒，但不同熱老化處理后的鍍錫連接器照片及其氧化層厚度防止錫回流變色的連接器電鍍工藝是，其光亮程度還是可以和傳統光亮錫相比。由于新的半光亮錫具有更大的結晶粒度和更低的晶粒邊界密度，因而表現出更少的回流變色問題。從俄歇電子縱深分析圖譜可以看出，在 260 ℃ 下回流 3次后，傳統光亮錫表面會產生400～500 ! 的氧化層，而相應的半光亮錫產生的表面氧化層卻少于 150 !。

以 Ni2 P合金作為鍍層底層

在某種特定條件下，例如槽液老化、運行電流密度過高和多次回流循環等，由新工藝生產的半光亮錫仍然會產生錫的變色現象。為了有效地控制回流過程中錫的氧化問題，開發了在錫鍍層的底層上用 Ni2 P合金鍍層替代單一的 Ni鍍層的工藝，取得了令人滿意的效果。

其實，錫的回流變色與不同金屬互化物的形成緊密相關。如在回流時，銅及其合金表面上的錫鍍層就不會有明顯的變色問題。但是，鎳底材上的錫鍍層在回流時，通常就會產生錫的回流變色現象。這是因為它們形成了不同的金屬互化物如CuSn和NiSn的緣故。而在鎳層上面覆蓋一層較薄 Ni2 P鍍層后，錫的回流性能可得到改善。原因可能是由于在Ni /Sn交界處形成的金屬互化物 ( I MC)其形態有所改變，從而加快了錫在回流時從融熔狀態中結晶出來的速度，減少了因氧化而帶來的變色問題。

通過后處理來控制錫層表面的氧化

于錫層表面常見的問題包括晶粒排列上的瑕疵、氣泡疤痕或針孔等，而這些疵點會加劇電鍍層的氧化反應。 研究表明，一種新的后處理工藝可以減少表面疵點發生的氧化風險。傳統的堿式后處理工藝旨在中和鍍件表面的酸性殘留物，以便將其它殘留物從鍍件上沖洗干凈。而新的后處理工藝則在去除表面疵點從而減少在高溫回流過程中氧化物透過疵點擴散進鍍層，同時去除鍍件表面上的殘留物。新的后處理工藝能有效地改善錫鍍層的回流變色問題。

應用效果

專業連接器代理商增城市元茂貿易有限公司陳工程師表示，以上新工藝已經在許多連接器純錫電鍍生產線上得到了應用。以該工藝生產出的樣品已經通過了 JE2DEC錫須測試。有文獻報道，光亮錫生成錫須的可能性很大，但是如果經過干烤處理，或鍍上鎳底層，在光亮錫和無光錫上有錫須生長的風險都可受到控制。

通過采用一系列不同的方法有效地控制了錫鍍層的回流變色問題。其中，包括采用具有更大結晶粒度和更小晶粒邊界密度的半光亮錫替代傳統具有很細結晶粒度的光亮錫，使錫層的回流變色情況得到改善；以磷鎳 (Ni2 P)為底材的錫鍍層能在錫回流過程中形成金屬互化物，這種金屬互化物能改善錫的結晶性能，減少回流變色；最后，通過采用酸式后處理工藝有選擇性的去除表面疵點，減少了回流過程中因瑕疵而加劇的氧化反應。整個工藝過程包括半光亮錫鍍層、Ni2 P底材和酸式后處理工藝，它們能相輔相成地減少連接器應用中的氧化現象和錫鍍層的回流變色問題，達到了滿意的效果。