PCB化学镀锡锡厚研究

肖火亮 肖金辉 肖锡欢

（江西景旺精密电路有限公司，江西 吉安 343000）

0 引言

汽车电子产品对印制电路板（printed circuit board，PCB）的可靠性有非常高的要求，其中，化学镀锡的厚度是一个很关键的指标。化学镀锡相对热风整平焊锡、化学镀镍金及化学镀银等表面处理方式，在焊接性、平整度、保存期限和成本等方面综合优势明显，汽车电子产品在PCB 的表面处理方式选择上也一直青睐于化学镀锡。本文选取锡液浓度、锡槽温度和过板线速等主要工艺因素对锡厚变化进行了系统性研究，并对X 射线（物理方法）和库仑分析方法（化学方法）这两种不同的锡厚测量方法进行了探讨。

1 化学镀锡的原理

化学镀锡是通过Sn2+和Cu 发生置换反应，使Sn2+被还原成Sn，沉积到铜面上形成一层致密锡面，从而起到保护铜面作用的一种表面处理工艺。理论上，Sn2+与Cu 无法发生置换反应，因为Sn 相对Cu 更活跃，Cu+/Cu（0.512 V）和Cu2+/Cu（0.341 9 V）两者的标准电极电位比Sn2+/Sn（0.137 5 V）的标准电极电位高出很多，无法实现铜置换锡。

通过硫脲起铜离子络合剂及还原剂的作用，将Cu+形成稳定的络离子［Cu（NH2CSNH2）4］2+、［Cu（NH2CSNH2）4］2+，从而降低标准电极电位，使锡、铜发生置换反应，其反应化学方程式为

化锡后的电路板表面金属层并非只存在金属锡和铜两种结构。其中，最外层是金属锡，次外层是锡铜合金，最底层是金属铜，结构示意图如图1 所示。在化锡过程中，铜被氧化成Cu2+，随着化锡时间的延长铜厚逐渐降低，而被还原沉积在铜表层的锡厚呈递增的趋势，化锡时间与锡厚的关系示意图如图2 所示。当化锡反应时间为1 min 时，对应的锡厚为0.20 μm，化锡时间延长至20 min时，对应的锡厚为1.13 μm。

图2 化锡时间与锡厚变化

2 锡厚的测量方法

2.1 X射线荧光光谱法

X 射线荧光光谱法可以测量镀层中单质锡和融入到合金层的锡厚度之和，精密度取决于使用的参考标准片情况，可以测量总的锡厚。该方法适用于PCB 制造工厂和表面贴装技术（surface mounted technology，SMT）贴片厂，可以测量PCB 成品任意位置的锡厚（建议焊盘尺寸≥1.5 mm×1.5 mm）。

2.2 化学方法

化学方法是指使用不同的溶解液剥离镀层，剥离过程产生对应的电位差，然后以化学或仪器分析方法测量金属离子含量，从而测定总锡厚和纯锡厚。库仑分析方法就是利用这个原理测量锡厚的。

2.3 连续性电化学还原分析法

连续性电化学还原分析法（sequential electrochemical reduction analysis，SERA）运用基本的电化学原理，可以分别测定氧化层、纯锡层和合金层的厚度。

3 化学镀锡锡厚影响因素

3.1 锡槽温度与锡厚的关系

选取66～70 ℃温度区间进行试验，控制过板速度与药水浓度不变，锡槽温度越高，沉积的锡厚越厚。这是因为反应温度升高，可以促进化锡反应的进行，加快锡沉积在铜表层的速率。经试验验证，锡槽温度对锡厚变化有显著的影响，结果如图3所示。

图3 锡槽温度对锡厚的影响

3.2 过板速度与锡厚的关系

在控制锡槽温度和药水浓度不变的情况下，通过降低线路板化锡的过板速度，观察锡厚的变化，结果如图4所示。由图4可见，随着化锡过板速度的降低，线路板在锡槽浸泡的时间延长，使锡、铜之间发生置换反应的时间更充裕，化锡的锡厚沉积也就更厚。

图4 浸泡时间对锡厚的影响

3.3 Sn2+浓度与锡厚的关系

保持锡槽浸泡时间和锡槽温度不变，改变Sn2+浓度，观察锡厚的变化，结果如图5 所示。Sn2+浓度在26～36 g/L 范围内变化时，锡厚出现无规律性的变化。原因为铜置换锡的反应通过硫脲起催化作用进行，而硫脲催化效果主要受反应温度、硫脲含量和反应体系酸碱度的影响，微量改变锡离子浓度对化锡沉积速率的影响不大。

图5 锡离子浓度对锡厚的影响

3.4 硫脲含量与锡厚的关系

在其他条件保持不变的情况下，硫脲含量在5.0～7.0 mol/L 范围内上升时，锡厚会相应地增加，结果如图6 所示。原因为络合剂含量增加有利于促进络铜离子的形成，将铜离子形成稳定的络离子［Cu（NH2CSNH2）4］2+、［Cu（NH2CSNH2）4］2+，加快化锡置换反应的进行，从而提高锡层的沉积速率。

图6 硫脲含量对锡厚的影响

3.5 药水负载

使用裸铜板进行化锡，模拟超正常药水负载测试锡厚的变化，结果如图7 所示。从图中可以看出，在短时间内（30 min），连续超正常药水负载下生产锡厚无明显差异，最大差值为0.025 μm，平均锡厚为1.124 μm。

图7 锡厚与药水负载的关系

4 不同测量方法和仪器条件下锡厚测量的差异

4.1 采用X 射线与库仑分析方法测量的差异

对同一试验板、相同测试点分别用X 射线和库仑分析方法测量，测出锡厚平均值如图8 所示。结果表明，通过X 射线测量的锡厚值要高于库仑分析方法测量，而采用库仑分析方法较X 射线重复测量锡厚的测量结果稳定性更好。

图8 采用X射线与库仑分析方法测量的差异

4.2 铜面粗糙度对X射线测量锡厚的影响

铜面粗糙度越大，通过X 射线测量的锡厚值越低（不同样品在同一时间、同一状态化学的锡槽制作）。铜面粗糙度对锡厚测量的影响见表1，锡厚随铜面粗糙度变化的趋势如图9所示。

表1 铜面粗糙度对锡厚测量的影响 单位：μm

图9 锡厚随铜面粗糙度变化的趋势

4.3 不同的底铜厚度对X 射线测量锡厚的影响

化锡中，在其他条件不变的情况下，改变试板底铜值，并对试板进行多个测试点及不同方位的X-ray锡厚测量，求取平均值，结果见表2。

表2 不同底铜厚度的化锡锡厚

由表2可见：底铜为18 μm时，测出锡厚平均值为1.337 μm；底铜为35 μm 时，测出锡厚平均值为1.116 μm，说明底铜越薄，越有利于化锡锡厚的沉积。

5 结论

（1）化学沉锡锡厚受锡槽温度、浸泡时间和硫脲含量的影响，且呈正相关影响；锡槽温度越高、浸泡时间越长、硫脲含量越高，对应的化锡锡厚就越厚。

（2）X 射线测量锡厚值与铜面粗糙度及底铜厚度呈负相关影响，铜面粗糙度越大、底铜厚度越大，锡厚测量值就越低。

（3）库仑分析方法测量为纯锡厚度，而X 射线测量为总锡厚（纯锡厚度+锡铜合金层厚度），故X射线测量值总是高于库仑分析方法测量值。