一种制备无铅Sn-Cu合金焊料的双脉冲电镀液及电镀工艺

摘要

本发明公开了一种制备无铅Sn-Cu合金焊料的双脉冲电镀液及电镀工艺，是将金属化Si晶片放置于电镀液中通入双脉冲电流进行双脉冲电镀，所述的电镀液的化学成分为：柠檬酸三铵0.4-0.5mol/L、二水合氯化亚锡0.2-0.25mol/L、二水合氯化铜0.025-0.035mol/L，均为分析纯配制；所述的双脉冲电镀的参数为：频率为80-120Hz，双脉冲的占空比为18-22％，正/反向脉冲时间为900-1100/90-110ms，电流密度9-11mA/cm

说明书

技术领域

本发明涉及合金焊料制备技术领域，具体是一种制备无铅Sn-Cu合金焊料的双脉冲电镀液及电镀工艺。

背景技术

长期以来，Sn-37Pb(质量分数)合金焊料以其低成本、低共晶温度(183℃)、良好的电学、机械及化学性质在电子工业中得到广泛的应用。然而随着人们环保意识的增强，同时最近有研究表明，由于种种原因被排放到大气或地下水中的铅离子一旦进入人体，则有可能导致幼儿智力障碍、生殖器官障碍、癌症、高血压等疾病。我国现已经成为世界第三大电子产品生产国，每年有大量的铅随着家用电器、儿童玩具等进入人们的日常生活，对人们当前的健康及其潜在的威胁日益严重。目前，我国电子产品的生产及出口正日益受到焊料无铅化技术瓶颈的制约，如2007年下半年，北美对中国出口的玩具因铅含量超标的大规模召回。为保证我国电子行业的健康发展及出口的优势地位，开发无铅焊料技术迫在眉睫。在众多的无铅Sn基焊料中，Sn-0.7Cu(质量分数)合金焊料因价格低廉，无毒副作用，易回收和杂质敏感度低等优点，被誉为最有前途的无铅焊料之一。

随着电子技术的迅猛发展，尤其是芯片和超大规模集成电路的突破，使得连接对象已经由微细特征向显微特征转化，即焊点由毫米尺寸向微米尺寸发展。例如，目前键合金丝的直径已小于18μm，其引线键合尺寸也在微米尺寸范围。这就会对焊点的制备提出了更高的要求。

然而目前要想在半导体晶片或者金属基体上沉积Sn基无铅焊料，不是通过涂覆焊膏就是采用溅射、蒸发等真空沉积技术。焊膏连接价格低，且易操作，然而焊料的定位和厚度的控制得不到保证，并且焊料容易被氧化而不利于基体结合。真空沉积技术可较好地进行过程控制且可减少氧化物的产生，但这种技术相当昂贵且耗时，故这两种技术均不适合较大规模制备Sn基无铅焊料。

传统电镀技术(直流电镀、直流周期换向电镀)虽在一定程度上克服了上述方法(涂覆焊膏或者是真空沉积技术)带来的缺点，但是电镀层的均匀性、沉积速率不够理想，而且内应力和孔隙率较大。同时目前我国电镀行业所采用的电镀溶液大多含有有毒成分(如镀金溶液中的氰化物)、电解液中加入了多种添加剂，溶液成分复杂，且电镀溶液的稳定性较差，造成焊料制备成本高，电镀废液处理不当也会对环境造成有害的影响。

发明内容

本发明提供了一种制备无铅Sn-Cu合金焊料的双脉冲电镀液及电镀工艺，合理选择电镀溶液配方及脉冲电沉积工艺参数来制备Sn-Cu合金焊料的方法，提高了电镀速率，且制备的Sn-Cu合金焊料粗糙度低、厚度均匀、表面平整，孔隙少、结构致密、电镀层中的应力小。

本发明的技术方案为：

一种制备无铅Sn-Cu合金焊料的双脉冲电镀液，其特征在于：所述的电镀液为水溶液，其中化学成分为：柠檬酸三铵0.4-0.5mol/L、二水合氯化亚锡0.2-0.25mol/L、二水合氯化铜0.025-0.035mol/L，柠檬酸三铵、二水合氯化亚锡、二水合氯化铜均采用分析纯配制。

一种制备无铅Sn-Cu合金焊料的双脉冲电镀工艺，其特征在于：将金属化Si晶片置于电镀液中通入双脉冲电流进行正/反向双脉冲电镀，所述的电镀液为水溶液，其中化学成分为：柠檬酸三铵0.4-0.5mol/L、二水合氯化亚锡0.2-0.25mol/L、二水合氯化铜0.025-0.035mol/L，柠檬酸三铵、二水合氯化亚锡、二水合氯化铜均采用分析纯配制；所述的双脉冲电镀工艺参数为：频率为80-120Hz，双脉冲的占空比为18-22％，正/反向脉冲时间为900-1100/90-110ms，电流密度9-11mA/cm²。

所述的制备无铅Sn-Cu合金焊料的双脉冲电镀工艺，其特征在于：所述的金属化Si晶片是指在Si晶片上溅射一层23-27nm的钨化钛，在钨化钛层上再真空溅射一层240-260nm的籽金层，电镀是在籽金层上进行电镀；所述的正/反向双脉冲电镀的电镀温度为室温，镀层的厚度可由电镀时间决定。

所述的制备无铅Sn-Cu合金焊料的双脉冲电镀工艺，其特征在于：所述的电镀液的化学成分为：柠檬酸三铵0.45mol/L、二水合氯化亚锡0.22mol/L、二水合氯化铜0.03mol/L，均为分析纯；所述的正/反向双脉冲电镀工艺的参数为：频率为100Hz，双脉冲的占空比为20％，正/反向脉冲时间为1000/100ms，电流密度10mA/cm²。

所述的制备无铅Sn-Cu合金焊料的双脉冲电镀工艺，其特征在于：所述的电镀完成后，将两片电镀后的金属化Si晶片的镀层面对面叠在一起，在管式炉中于H₂气氛保护下施加外压，在220-240℃下进行倒装焊接。

本发明的优点为：

1、本发明所述的电镀溶液可以较长时间存放，溶液的组成简单，不含任何添加剂及其他有毒化学品，并且可有效提高电镀速率；

2.本发明通过优化了的双脉冲电沉积工艺参数制备的Sn-Cu合金焊料具有的特征有合金焊料与基体(金属化Si晶片)结合紧密，镀层中的晶粒尺寸小(d＜4μm)，粗糙度低、厚度均匀、表面平整，孔隙少、结构致密、电镀层中的应力小。

附图说明

本发明制备的Sn-Cu合金焊料的表层图。

具体实施方式

一种制备无铅Sn-Cu合金焊料的双脉冲电镀工艺，金属化Si晶片为阴极，作为合金焊料的沉积基体，而阳极则采用Pt片。将上述阴、阳极片经蒸馏水、酒精清洗和丙酮除油后置于电镀液中通入正/反向双脉冲电流进行双脉冲电镀，电镀液为水溶液，其中的化学成分为：柠檬酸三铵0.45mol/L、二水合氯化亚锡0.22mol/L、二水合氯化铜0.03mol/L，各组分采用分析纯加水配制；

双脉冲电镀实质是脉冲换向电镀。在这里作为沉积Sn-Cu合金焊料的电沉积方法，其工艺参数为：频率为100Hz，双脉冲的占空比为20％，正/反向脉冲时间为1000/100ms，电流密度10mA/cm²，双脉冲电镀的电镀温度为室温，电镀层的厚度由电镀时间决定。

电镀完成后，将两片电镀后的金属化Si晶片的镀层面对面叠在一起，在管式炉中于H₂气氛保护下施加适宜的外压，在220-240℃下进行倒装焊接。

金属化Si晶片是指在Si晶片上溅射一层23-27nm的钨化钛，在钨化钛层上再真空溅射一层240-260nm的籽金层，电镀是在籽金层上进行电镀。

电镀样品形貌：电沉积层与基体(金属化Si晶片)结合紧密，镀层中的晶粒尺寸小(d＜4μm)且表面平整，孔隙少、结构致密、电镀层中的应力小，且镀层表面无Sn晶须；

电镀沉积速率为27.0μm/h；

倒装焊接后组织结构：焊料层在两片金属化Si晶片间均匀分布，并与金属化Si晶片结合良好，焊料层结构较为致密，焊料层中各种金属间化合物分布均匀。

焊料后的硬度测试：显微硬度为Hv20.6，与纯Sn的硬度(Hv14.2)较为接近，属于Sn基软焊料类型。