Sn-Cu焊料薄膜的制备及其电沉积行为的研究

摘要

钎焊镀层无铅化是当前研究的热点,也是电子行业发展的必然趋势。本文通过表观状态分析,确定了Sn-Cu合金电镀酸性镀液的组成,并给出了适宜的工艺条件;借助SEM(附EDS)探讨了镀液组成及各工艺因素对Sn-Cu合金镀层微观形貌的影响;实验还就上述诸因素对合金镀层的钎焊性进行了研究,并系统地检测了最佳合金镀层的相组成、熔点、硬度,结合力及耐蚀性能。论文还借助CHI660C电化学工作站,利用极化曲线、循环伏安、恒电位阶跃等测试技术着重对Sn-Cu合金电沉积行为,尤其是电结晶初期行为进行深入研究。获得如下主要结论:
　　 1、本研究酸性镀液体系是以硫酸亚锡、硫酸铜和络合剂、抗氧化剂和活性剂为基本组成。适宜的镀液组成为:SnSO4:40,CuSO4:0.8,H2SO4:100,柠檬酸:40,硫脲:0.08,明胶:2.0,β-萘酚:0.8,对苯二酚:1.0(g/L);工艺条件为:电镀密度:3 A/dm2,镀液温度:25℃,电镀时间:20 min。阴极电流效率约:70％;所制备的Sn-Cu合金镀层呈灰白色,表面光亮、平整、致密,镀层中铜含量为0.5～2wt％。
　　 2、镀液成分与电镀工艺对镀层表面微观组织形态均有明显影响。随条件变化,镀层表面呈现出块状晶粒、团状晶粒或条状等不同的微观组织形貌,其中硫脲影响较大;在镀液中添加硫脲可使镀层表面晶粒尺寸显著减小,改善镀层的致密性和均匀性;还能明显降低镀层中铜的含量。
　　 3、酸性镀液体系所制备的Sn-Cu合金镀层均有较优良的钎焊性能,但镀液成分、电镀工艺及老化温度对Sn-Cu合金镀层的钎焊性能有一定影响,试验表明:Sn-Cu合金镀层最短润湿时间均＜5s;Sn-Cu合金镀层主要由β-Sn相和少量Cu6Sn5相混合组成;Sn-0.7Cu合金镀层其固相线温度:221.2℃,液相线温度:228.3℃,固-液相线温度差:7.1℃;Sn-Cu合金镀层耐3.5％NaCl腐蚀能力略优于纯Sn镀层和Sn-Pb合金镀层;弯曲试验及划痕试验测试表明合金镀层与基体结合良好;随着镀层中Cu含量增加,镀层表面硬度逐渐增大,Sn-0.7Cu镀层硬度约为18.3 Hv。
　　 4、Sn-Cu合金电沉积过程是受扩散控制的非可逆过程,镀液中Cu2+的存在能促进锡的电结晶成核;Sn-Cu镀液体系电沉积结晶初期基本符合三维的Scharifker-Hill(SH)瞬时形核机制;添加柠檬酸或硫脲,尤其是硫脲使镀液体系电沉积过程极化程度增大;试验表明,Sn-Cu镀液中加入硫脲或柠檬酸+硫脲对Sn-Cu合金沉积初期的电结晶行为产生一定的影响;尤其是在Sn-Cu镀液体系中加入硫脲,随着阶跃电位的负移,Sn-Cu合金沉积初期的电结晶行为经历了由三维SH连续形核向瞬时形核机制的转变。