防止纯锡镀层变色的电镀参数优化

李红雷，高国华

（南通富士通微电子股份有限公司，江苏 南通 226006）

防止纯锡镀层变色的电镀参数优化

李红雷，高国华

（南通富士通微电子股份有限公司，江苏 南通 226006）

纯锡电镀工艺主要有锡晶须、镀层变色等问题，其中镀层变色严重影响器件的可焊性。通过分析纯锡电镀各参数对镀层变色的影响，设计了工艺参数的优化实验方案，然后按照方案进行样品制作、评价和数据分析，得到能够防止纯锡镀层变色的最优参数，并对实验结果进行验证。经验证的实验结果为电流密度为12 A/dm2，电镀温度为55℃，电镀液H+浓度为1.1 mol/L，电镀液Sn2+浓度为65 g/L。研究成果提高了无铅产品的可靠性，从而增强了产品在市场上的竞争性。

纯锡；无铅；电镀；镀层变色；集成电路封装

自欧盟RoHS实施以来，纯锡电镀工艺已经发展愈加成熟，但是仍有一些问题未能彻底解决，镀层变色问题就是其中之一。镀层变色不仅影响外观，而且会使镀层的可焊性劣化，很多客户不能接受。镀层变色往往不是电镀后立即发生的，而是在客户处储存一段时间以后才会发生。根据这个特性我们可以得到以下3点：1）由于无法复原当时的电镀状况，异常原因较难调查；2）因为不能及时发现，往往有较多的波及批；3）要求镀层质量要具有一定的耐久性。所以要从根本上解决镀层变色的问题。

1 分析影响镀层变色的因素

根据郝利峰和郑如定等人的研究成果，镀层变色一般与镀层的晶粒大小和孔隙大小有关。与锡铅镀层相比，纯锡镀层一般结晶较粗，结晶颗粒不规则性大，结晶缺陷等也较多。所以纯锡镀层的变色问题就比锡铅严重得多［1］。较大的孔隙不仅会造成电镀液中的有机物难以清洗，而且会使得水汽更容易侵入。铜基体上的锡镀层在大气中是阳极性镀层，在潮湿的大气环境中，锡镀层表面水膜与铜基体及锡镀层构成腐蚀原电池，从而加速锡镀层的腐蚀，发生变色等外观现象［2］。因此，镀锡层孔隙率与镀层的防变色性能密切相关。

1.1 电流密度的影响

任何电镀都必须有一个能产生正常镀层的电流密度范围。当电流密度过低时，阴极极化作用较小，镀层结晶粗大，甚至不能产生镀层。随着电流密度的增加，阴极极化作用随着增加，镀层晶粒越来越细。当电流密度过高，超过极限电流密度时，镀层质量开始恶化，甚至出现海绵体，枝晶状，烧焦及发黑等。如图1所示，不同的电流密度条件下，所得镀层结晶晶粒分布是不同的。

1.2 温度的影响

镀液温度的升高能扩散加快，降低浓差极化。此外，升温还能使离子的脱水过程加快。离子和阴极表面活性增强，也降低了电化学极化，导致结晶变粗。另一方面，温度升高不仅能够增加盐类的溶解度，从而增加导电和分散能力。如图2所示，不同温度下的镀层晶粒分布。

图1 不同电流密度下的镀层晶粒分布

1.3 镀液中H+浓度的影响

镀液中的pH值可以影响氢的放电电位，碱性夹杂物的沉淀，还可以影响络合物或水化物的组成以及添加剂的吸附程度。最佳的pH值往往要通过实验决定。在含有络合剂离子的镀液中，pH值可能影响存在的各种络合物的平衡，因而必须根据浓度来考虑。电镀过程中，若pH值增大，则阴极效率比阳极效率高，pH值减少则反之。如图3所示，不同H+浓度下的镀层晶粒分布。

1.4 主盐Sn2+浓度的影响

镀液中主盐浓度必须在一个适当的范围内选取。在其它条件不变时，主盐浓度增加或减少，都会对电沉积过程及最后的镀层组织有影响。如图4所示，不同Sn2+浓度下的镀层晶粒分布。

图3 不同H+浓度下的镀层晶粒分布

图4 不同Sn2+浓度下的镀层晶粒分布

1.5 添加剂的影响

由于添加剂的生产厂家众多，且配方千差万别，所以添加剂对于镀层变色的影响本文暂不做讨论且本文所有试验数据都是在特定的添加剂条件下得到的。

2 优化实验方案的确定

2.1 确定最佳电镀工艺参数实验

对电流密度、电镀温度、电镀液H+浓度和电镀液Sn2+四个因子各选取3个参数（见表1），并用L9（34）正交表来安排实验。本组试验记为B，各实验序号及实验条件见表2。说明：为了后续表述方便，分别用X表示电流密度、Y表示电镀温度、Z表示电镀液（H+）浓度、W表示电镀液（Sn2+）浓度。举例，X1则表示电流密度为12 A·dm-2。

表1 电镀工艺参数因子及水平表

表2 电镀工艺参数L9（34）正交表

2.2 样品测试及实验加速方法

（1）扫描电子显微镜测试：主要用于实验中测试样品表面形貌的检测；

（2）蒸汽老化测试：主要用于加速纯锡电镀镀层变色的速度，蒸汽老化的条件为，93±53℃，16.5 h；

（3）高温烘烤测试：主要用于加速纯锡电镀镀层变色的速度，高温烘烤的条件为，150℃±5℃，16.5 h；

（3）红外回流测试：主要用于加速纯锡电镀镀层变色的速度，红外回流使用最高温度为260℃的温度曲线。

3 工艺参数优化方案的数据分析与结果

3.1 变色指数的定义

为了便于实验结果的统计，我们定义了“变色指数”这个值。首先，我们将纯锡镀层变色的程度分为4个等级：未变色、轻微变色、一般变色和严重变色，并分别用数字定义为0、1、2、3，如表3所示。

表3 表示镀层变色程度的数值意义

图5 不同程度的变色图片

本组实验每个条件所制作的300个样品，我们做如下加速实验：100个进行蒸汽老化实验，100个进行高温烘烤实验，100个进行红外回流实验。本组实验的观察结果，我们可以得到2个数值，一个是代表不同变色程度的数值；另一个是3种加速实验后每种变色程度样品的个数。根据以上2个数值，我们对变色指数定义为：

变色指数=0×未变色的样品个数+1×轻微变色的样品个数+2×一般变色的样品个数+3×严重变色的样品个数

式中：0、1、2、3所代表的意义参见表9。

3.2 实验结果统计分析

通过对3种加速实验后每个实验编号样品的观察和统计，统计结果如表4所示。

根据表4的统计，并结合变色指数的定义，计算出每个条件下的变色指数的数据，变色指数如表5所示。

蒸汽老化实验、高温烘烤实验和红外回流实验的实验结果分析，见表6、表7和表8。表中的Ki表示任一列上水平号为i时所对应的试验结果之和，ki表示Ki除以各水平出现的次数，R表示在任一列上ki的极差。根据田口正交试验理论，R值越大则表示该列的因素对结果的影响程度越大，ki值越小则表示i水平的条件最优。

表4 实验结果统计

表5 变色指数统计

表6 蒸汽老化实验的结果分析

表7 高温烘烤实验的结果分析

表8 红外回流实验的结果分析

3.3 电镀工艺参数最优方案验证

由于得到的最优方案不在B组实验L9（34）正交方案中，所以这里增加1个实验，编号为B10。实验条件为本组实验的最优方案X1Y3Z2W2，即电流密度：12 A/dm2，电镀温度：55℃，电镀液H+浓度：1.1 mol/L，电镀液Sn2+浓度65 g/L。该实验选用影响程度最大的加速实验条件：红外回流加速实验。样本数为100只。所得结果见表9，结果显示没有出现变色，表明本组实验所得的结果可信。

表9 最优方案的实验结果

4 结 论

对比三种加速实验条件下的实验结果，得到如下的结论：

（1）三种加速实验条件下所得的最优方案是一致的，为X1Y3Z2W2，即电流密度：12 A/dm2，电镀温度：55℃，电镀液H+浓度：1.1 mol/L，电镀液Sn2+浓度65 g/L。

（2）三种加速实验条件下所得各因素的影响力基本一致，其中蒸汽老化和红外回流条件下对镀层变色影响的程度依次为电流密度、电镀温度、Sn2+浓度、H+浓度，高温烘烤条件下对镀层变色影响的程度依次为电流密度、Sn2+浓度、电镀温度、H+浓度。但是三种加速实验条件下，对镀层变色影响力最强的因数为电流密度，影响力最弱的因数为H+浓度。

（3）三种加速实验方法对镀层变色的影响程度也不同，其中红外回流的影响力最大，高温烘烤的影响最小。

［1］郝利峰，王明生.高速镀锡工艺及其故障处理［J］.电镀与精饰，2008，30（2）：21-23

［2］郑如定.酸性镀锡变色原因的初步探讨［J］.材料保护，2000，33（4）：18.

Process Parameter Optimization to Prevent Pure Tin Plating Discoloration

LI Honglei，GAO Guohua
（Nantong Fujitsu Microelectronics Co.，Ltd，Nantong 226006，China）

Tin whisker，tin coating discoloration and other issues have influences on the pure tin plating process，in which，coating discoloration severely affect devices'solderability.The process and related parameters about pure tin electroplating were analyzed in this paper，the optimization program of process parameters were designed to make and evaluate experiments samples and analyze the data，and then the improvement measures were proposed to solve discoloration of pure tin plating，at last the results were verified.The conclusions were shown that The best plating process parameters were instructed that current density was 12 A/dm2，plating temperature was 55 oC，H+concentration was 1.1 mol/L，Sn2+concentration was 65 g/L.The achievements of this paper have been applied in electronics products，these lead-free products'reliability was improved，thereby their market competitiveness was enhanced.

Pure tin；Leadfree；Plating；Discoloration；IC packaging

TQ153

A

1004-4507（2015）12-0022-06

2015-10-10

李红雷（1982-），男，江苏南通人，硕士，工程师，毕业于东南大学集成电路学院，现就职于南通富士通微电子股份有限公司，主要从事集成电路封装工艺研究。