高速纯锡镀层回流焊变色原因和控制对策

孙红旗*，孙江燕贺岩峰

（1.上海新阳半导体材料有限公司，上海 201616；2.长春工业大学化学工程学院，吉林 长春 130012）



高速纯锡镀层回流焊变色原因和控制对策

孙红旗1，*，孙江燕1，贺岩峰1，2

（1.上海新阳半导体材料有限公司，上海 201616；2.长春工业大学化学工程学院，吉林 长春 130012）

探讨了高速纯锡镀层回流焊变色的原因，分析了框架基材和电镀条件对镀层回流焊变色的影响，提出了调整电镀工艺条件、加强镀液维护、采取适当镀后处理等控制镀层回流焊变色的措施。

纯锡镀层；高速电镀；回流焊；变色；后处理

First-author's address: Shanghai Sinyang Semiconductor Materials Co.， Ltd.， Shanghai 201616， China

随着无铅化进程的推进，目前纯锡电镀或无铅合金电镀在集成电路引线框架、被动元器件和连接器行业已经成为一种广为接受的锡铅电镀的替代品［1］。但无铅纯锡回流焊温度比锡铅回流焊温度要高，当回流焊温度从235 °C提高到260 °C时，纯锡镀层在回流焊过程中容易发生变色［2］。因此，探索与解决纯锡镀层回流焊变色问题对电子封装无铅制程相当重要。本文主要对高速纯锡镀层回流焊变色原因进行分析，并提出了一些行之有效的抑制镀层回流焊变色的方法。

镀层回流焊变色的直接原因是纯锡镀层表面氧化［3］，即高温情况下镀层表面发生氧化变色，表现为镀层在回流焊条件下（对纯锡镀层而言，峰值温度为260 °C）处理一定时间后镀层表面变色，从黄色到棕色，甚至紫色。当对纯锡镀层进行不同的热处理时，会因不同的热处理条件而产生不同厚度的氧化层，回流焊工艺温度和时间直接影响到镀层的可靠性和变色程度［4］。有关资料［5］显示，回流焊变色程度与纯锡镀层表面氧化层厚度有关，随着纯锡镀层表面氧化层加厚，镀层颜色从浅黄色到棕色逐渐加深。变色会影响镀层可焊性或引起贴装故障，许多用户不能接受。

1　回流焊变色的原因分析

1. 1 框架基材杂质分析

对回流焊后镀层变色和不变色所用的铜框架基材进行扫描电镜（SEM）观察，发现不变色框架表面相对均匀，而变色框架表面有裂纹等缺陷，局部出现异常的凸起或者凹坑（如图1所示）。

如图 2所示，X射线能谱（EDS）分析结果显示，回流焊后不变色框架基材上不同区域元素组成类似，主要含Cu元素，还有少量的C和Fe元素。回流焊后变色框架基材不同区域分析结果有很大差别，正常区域只检测到Cu元素，异常区域则检测到Zn、Si、Mg、Cl、S等杂质元素。纯锡在不同元素上的电沉积过电位不同，基材中杂质偏多会在电镀过程中引起更多镀层缺陷，导致镀层回流焊变色。

图1 框架基材的SEM照片Figure 1 SEM images of leadframe substrates

图2 框架基材的EDS分析结果Figure 2 EDS analysis results of leadframe substrates

1. 2 回流焊后的镀层分析

图3 回流焊后锡镀层表面的SEM照片Figure 3 Surface SEM images of Sn coatings after reflow

如图3所示，回流焊后不变色样品镀层表面均匀、平整，而回流焊后变色样品镀层表面有很多异常孔洞，外观有褶皱、不平整。这些孔洞及皱褶可能是由于残留在镀层缺陷、孔隙或者基体与镀层界面处的化学药水在高温（200 ～ 270 °C）下汽化膨胀所致。当产生的气体足够多时，会冲破镀层而产生孔洞；产生的气体不足以冲破镀层时，会引起回流焊后镀层表面出现“褶皱状”。这说明镀层的结晶缺陷和孔隙也是影响回流焊变色的一个重要原因。

对回流焊后不变色样品镀层进行EDS检测，发现镀层中杂质含量很少，主要含Sn元素。回流焊后变色样品的镀层表面有较多杂质，O含量达到19.12%，说明变色是由于Sn层氧化引起。除此之外，还检测到C（4.37%）、Cl（1.17%）、Cu（1.67%）、N（1.87%）等杂质元素。在高温条件下这些杂质均会促进锡层氧化或者与锡形成化合物而导致镀层变色。

回流焊后镀层断面的金相照片（图4）显示，回流焊后不变色的镀层与基材结合紧密，而回流焊后变色的镀层在与基材交界处粗糙、疏松，有明显的孔洞，镀层与基材之间有明显的缝隙。这可能是由于镀层或基材缺陷中夹杂的镀液或者杂质在回流焊过程中因高温汽化膨胀所致。结合图1的SEM结果，进一步印证了涉及到基材质量的基材表面缺陷、孔隙等是引起回流焊变色的重要原因。

1. 3 影响回流焊变色的其他因素

1. 3. 1 电流密度的影响

电流密度受Sn2+浓度影响较大。不同Sn2+浓度下都有合适的电流密度范围，Sn2+浓度越高，电流密度范围越宽。电镀时电流密度超过适宜范围，镀层结晶疏松，致密度下降，回流焊后容易变色。

1. 3. 2 镀液浑浊的影响

纯锡镀液中的二价锡被空气中的氧所氧化而形成四价锡，四价锡水解成锡酸，锡酸与二价锡、有机物等形成复杂的胶团结构，使镀液发生浑浊［6］。胶团在通电时会向阴极移动，并与锡一起沉积在镀层上（见图5），使镀层中的有机杂质增加，这些有机杂质在回流焊条件下会促使镀层变色。

图5 不同镀液中所得锡镀层的SEM照片Figure 5 SEM images of Sn coatings electroplated from different baths

1. 3. 3 后处理的影响

后处理对回流焊变色也有很大影响。上海新阳半导体材料股份有限公司开发的纯锡镀层防变色剂 SYT871对防止回流焊变色效果显著，使用后可以明显地消除回流焊变色现象（见图6）。不同于传统碱性后处理，SYT871防变色剂不仅能清除镀层表面吸附或夹杂的有机物，而且可以减少表面结晶缺陷和孔隙，去除孔隙中的金属杂质（如铜等），从而起到防止回流焊变色的效果。

图6 锡镀层经不同后处理的回流焊结果Figure 6 Reflow results of Sn coatings with different post-treatments

2　控制回流焊变色的对策

根据前面的分析可知，基材质量和镀层质量是影响纯锡镀层回流焊变色的主要原因。所以，可以采取以下几条措施控制镀层回流焊变色：

（1） 选择质量好的引线框架，减少引线框架基材表面的缺陷和杂质。

（2） 通过调整工艺条件（主要是 Sn2+浓度、电流密度、添加剂等），改善镀层的结晶性能，减少镀层缺陷、孔隙等弊病。

（3） 平时做好电镀槽的维护工作，防止镀液浑浊。如果镀液发生浑浊，要及时进行絮凝处理。

（4） 加强电镀后清洗，保证镀层清洗干净。

（5） 对于一些易变色的引线框架，可以使用防変色剤（例如SYT871）进行后处理。

［1］ GANESAN S， PECHT M. Lead-free electronics ［M］. Hoboken， NJ： John Wiley &Sons， Inc.， 2006： 44-45.

［2］ WHITLEY J H. The tin commandments ［J］. Plating and Surface Finishing， 1981， 68 （10）： 38-39.

［3］ YU Y S， LEE H J， KIM H J， et al. Discoloration of pure tin （Sn） surface finish caused by surface oxidation ［J］. Microscopy and Microanalysis， 2007，13 （Supplement S02）： 1128-1129.

［4］ HUANG W， LOMAN J M， SENER B. Study of the effect of reflow time and temperature on Cu-Sn intermetallic compound layer reliability ［J］. Microelectronics Reliability， 2002， 42 （8）： 1229-1234.

［5］ CROSBY J， LAU D. Low-carbon bright pure tin process for electrical connectors ［J］. Galvanotechnik， 2005， 96 （2）： 3l1-322.

［6］ 贺岩峰， 孙江燕， 张丹. 无铅纯锡电镀中的若干问题［J］. 电子工艺技术， 2007， 28 （1）： 20-23， 27.

［ 编辑：温靖邦 ］

Causes for reflow discoloration of pure tin coatings in high-speed electroplating and control countermeasures

SUN Hong-qi*， SUN Jiang-yan， HE Yan-feng

The causes of reflow discoloration of high-speed electroplated pure tin coatings were analyzed. The effects of leadframe substrate and electroplating conditions on such reflow discoloration phenomenon were discussed. Some countermeasures were proposed for control of discoloration of pure tin coatings after reflow， such as adjusting electroplating conditions， strengthening bath maintenance， and using appropriate post-treatment.

pure tin coating； high-speed electroplating； reflow； discoloration； post-treatment

TQ153.13； TG178

B

1004 - 227X （2016） 15 - 0808 - 04

2016-05-20

2016-07-08

孙红旗（1983-），男，河南人，本科，从事电子电镀研究。

作者联系方式：（E-mail） zzulisun@126.com。