被动元件甲基磺酸盐体系电镀纯锡

任秀斌，裘宇，吴水，肖定军，安茂忠 *

（1.广东光华科技股份有限公司，广东 汕头 515061；2.哈尔滨工业大学应用化学系，黑龙江 哈尔滨 150001）

锡铅合金因可焊性良好而被广泛应用于被动电子元件(如陶瓷电容、陶瓷电阻、电感类元器件)领域，但铅对人体和环境有害，因此纯锡电镀替代锡铅合金电镀成为发展趋势[1-2]。目前电子设备朝小型化和高性能方向发展，被动元件的尺寸越来越小。小尺寸被动元件容易发生2 个元器件粘在一起的问题(简称“双联”)[3-4]，使产品的合格率大幅降低。本文采用甲基磺酸亚锡为主盐，甲基磺酸为主酸(其主要作用是保证阳极能够较迅速地溶解和调节pH)，对0603 型陶瓷电阻电镀纯锡。所得被动元件具有致密的镀层、较低的双联率、良好的可焊性和一致性。

1 实验

1.1 工艺流程

采用0603 型陶瓷电阻为基体，其电阻为1 kΩ，结构如图1 所示。

图1 0603 型陶瓷电阻的切面图Figure 1 Cross-sectional view of 0603-type ceramic resistor

电镀纯锡的主要工艺流程为：除油→电镀/滚镀镍→水洗→电镀/滚镀锡→水洗→烘干。

1.2 电镀锡配方和工艺

被动元件电镀属于低速电镀，采用滚镀方式，滚镀又分为闭口水平式滚镀和开口倾斜式滚镀。闭口水平式滚镀的双联率低，但由于搅动剧烈，被动元件容易磨损，镀层的一致性较开口倾斜式滚镀稍差。采用开口倾斜式滚镀的被动元件一致性好、不容易磨损，但双联率较高。本文选用开口倾斜式滚镀工艺[5]，具体配方和工艺条件[6-7]如下：

其中料球比指被动元件与滚筒中导电钢珠的质量比，密度指镀液的密度。

1.3 性能表征

1.3.1 生产稳定性

采用CPK 值(制程能力指数，Complex Process Capability Index)和产品双联率(dr)表征生产过程的稳定性。

(1) CPK：按式(1)计算，CPK 越大表示制程能力越强，本工艺要求CPK 高于1.33，即控制产品不合格率在0.006 3%以下。

式中，Cmax、Cmin分别为控制上、下限，即客户要求的锡层厚度上、下限，一般为；Dmax、Dmin分别为设计上下限，本文要求0603 型陶瓷电阻的锡层厚度为4 ~ 12 μm；xi为样本i 的锡层厚度；n 为样本总数；σ 为标准差，指锡层平均厚度。

(2) 双联率：按式(4)计算。

式中，mdul指发生双联的陶瓷电阻的质量，m 指陶瓷电阻的总质量。

1.3.2 厚度和微观结构

锡层厚度和微观结构的测定采用DPA(Destructive Physical Analysis，破坏性物理分析)法。

先用环氧树脂对被测陶瓷电阻进行灌胶，固化15 min 后，在研磨机上依次用400、800、1 000 和1 500 目砂纸研磨，然后用抛光粉抛光，冲洗并烘干后，采用OLYMPUS BX51M 金相显微镜及其配套软件测定锡层厚度。

采用日本JEOL JSM-6510LV 型扫描电镜(SEM)观察镀锡层的形貌并测定镀层晶粒的尺寸。

1.3.3 可焊性

(1) 润湿平衡(wetting balance)测试：将陶瓷电阻置于装有25 g 锡球(直径2 mm)的RHESCA SAT-5200T 润湿平衡测试仪中，温度235 °C，浸入深度0.1 mm，浸入速率3 mm/min，停留时间5 s，设备自动记录达到润湿平衡的时间。

(2) 8 h Steam(蒸汽) + Reflow(回流)试验：将陶瓷电阻置于100 °C 水蒸汽中保持8 h，随后用HELLER 1809 EXL 无铅回流焊系统进行测定。

2 结果与讨论

2.1 镀锡层厚度分布

统计了5 000 批产品的厚度变化，并随机抽取35 批(每批35 个样)计算CPK，结果见图2。从图2 可知，CPK 均大于1.33，说明该纯锡电镀产品批次间的稳定性较高。

图2 0603 型电阻的CPK 值(锡层厚度分布)Figure 2 CPK value for evaluating the thickness distribution of tin coating on 0603-type ceramic resistor

为检测批次内镀锡层厚度分布的均匀性，随机选取了某一批次的0603 型陶瓷电阻20 颗，分别测定图1 中C1、C2、C3、C4 和C5 处的镀锡层厚度，结果见图3。从图3 可知，该批次内不同位置的锡层厚度均在5 ~ 7 μm之间，算得其标准偏差多数低于0.5，说明不同位置的镀锡层厚度分布较为一致。

图3 0603 型陶瓷电阻上不同位置的锡层厚度及其标准偏差Figure 3 Thicknesses of tin coatings at different positions of 0603-type ceramic resistors and their standard deviation

2.2 镀锡层微观状态

镀锡层的质量直接取决于其致密性和平整度，因此采用扫描电镜及其附带的能谱仪(EDS)测定镀锡层的平整度、致密性和纯度。具体操作为：随机选择一个0603 型陶瓷电阻，检测其表面镀锡层SEM 照片(如图4a 所示)中对角线上的颗粒尺寸，结果见图5。

从图4b 可知，所得镀层中几乎全是金属锡，而氧元素为空气中的吸附氧(新镀得的锡层具有很高的表面活性，空气中的O2会吸附在其表面，简称“吸附氧”)。镀层结合力良好，没有明显的孔洞和颗粒松散。从图5可知，20 个样品颗粒的平均尺寸为3.9 μm，标准偏差为0.718，说明镀层颗粒大小均匀。

图4 0603 型陶瓷电阻表面锡层的SEM 照片和EDS 谱图Figure 4 SEM image and EDS spectrum of tin coating on the surface of 0603-type ceramic resistor

如图6 所示，随机取一颗0603 型陶瓷电阻对C1、C2、C3 处锡层进行DPA 测试。从图6 可知，镀锡层非常平整，厚度基本一致，无明显的镀层凸起部分。

图5 20 个样品锡镀层的颗粒尺寸及其标准偏差Figure 5 Particle sizes of Tin coatings on twenty samples and their standard deviation

图6 镀锡0603 型陶瓷电阻的截面形貌Figure 6 Cross-sectional morphology of tin-plated 0603-type ceramic resistor

2.3 镀锡层的可焊性

被动元件镀锡的主要目的之一是提高被动元件的可焊性[8-9]，因此可焊性是镀锡层的重要指标之一。为此采用润湿平衡试验(随机取4 个样品)和8 h 水蒸汽+回流试验来评价镀锡层的可焊性，结果分别见图7 和图8。

图7 0603 型陶瓷电阻的润湿平衡试验结果Figure 7 Wetting balance test results of 0603-type ceramic resistor

润湿平衡试验中样品达到平衡的时间越短，说明可焊性越好，润湿平衡时间低于1 s 就可以判定为可焊性优良。从图7 可知，随机选取的0603 型电阻的润湿平衡时间在0.1 ~ 0.2 s 之间，可焊性优良。

图8 0603 型陶瓷电阻8 h 水蒸汽+回流试验前后的照片(× 75)Figure 8 Photos of 0603-type ceramic resistor before and after 8 h steam plus reflow test

陶瓷电阻在使用过程中需要保证至少2 年不出现异常，若试样能通过8 h 水蒸汽+回流试验，则表明陶瓷电阻满足该要求。从图8 可知，镀锡层爬锡饱满，说明镀锡层可焊性优良[10-11]。

2.4 被动元件的双联率

电镀锡应用于工业生产，除了要保证产品品质外，还要保证生产的稳定性和易操作性。因此陶瓷电阻在生产过程中的双联率和品质稳定性显得尤为重要。随机抽取25 批0603 型陶瓷电阻测定其双联率，结果见图9。从图9 可知，初次双联率基本上低于5%，经过振荡处理后双联的陶瓷电阻基本上都可以分开，双联率为0%。这说明该体系电镀双联率较低，生产过程稳定。

图9 0603 型陶瓷电阻的双联率Figure 9 Sticking ratio of 0603-type ceramic resistor

3 结论

(1) 采用本体系纯锡电镀工艺能够增强陶瓷电阻批次内的稳定性，镀锡层的厚度在5 ~ 7 μm 之间。

(2) 镀锡层均匀致密，镀层颗粒的平均尺寸为3.9 μm，大小均匀。

(3) 镀锡层的可焊性优良，湿润平衡时间在0.1 ~ 0.2 s 之间。

(4) 所得0603 型陶瓷电阻的双联率低，产品合格率高。

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