论表面处理技术在片式电子元器件制造中的应用

2021-12-02张发秀麦雪清

电子元器件与信息技术 2021年9期

张发秀，麦雪清

（广东风华高新科技股份有限公司，广东肇庆 526020）

0 引言

片式电子元器件（SMD）是指无引线或短引线的新型微小电子元器件，又称片式电子元器件，它适合于在没有穿通孔的印制板上安装，是SMD的专用元器件。片式电子元器件外形多数是微小的长方体、正方体，没有普通元器件那样的插脚，焊接是在生产线上由机器进行，适合大规模生产，成本低，性能好，是电子元器件发展方向。片式元器件可分为两大类，即片式有源器件和片式无源元件。如果电子元器件工作时，其内部没有任何形式的电源，则这种器件叫做片式无源元件。简单地讲就是需能（电）源的器件叫片式有源器件，无需能（电）源的器件就是片式无源元件[1]。

公司生产的是片式电子元器件，是通过表面贴装技术装贴在PCB板上，所以要求在片式元器件制造过程中，要对电子元器件进行前处理制程、电镀制程、后处理制程，即给片式元器件的端电极镀上相应的镀层，使片式元器件获得焊接性能及耐热性能，以保障SMD顺利装贴在PCB板上，其表面处理技术工艺流程为：脱脂→活化→镀铜→镀镍→镀锡→锡后保护，下面是对SMD的表面处理工艺流程进行详述[2]。

1 表面处理技术工艺流程及其机理简析

1.1 表面处理工艺—脱脂

片式元器件本体大都是由陶瓷、铁氧体等材料烧结而成，对酸、碱等化学品都很敏感，容易被腐蚀。所以脱脂工艺必须选用低腐蚀性的专用除油剂。一般采用碱性除油，效果较好。

1.2 表面处理工艺—活化

为了保证片式元器件不被被腐蚀，活化工艺也必须选用低腐蚀性的专用活化剂。一般选取酸性活化（PH值不低于2），既可防止片式元器件被腐蚀，又可有效去除端电极表面的氧化物。

1.3 表面处理工艺—镀镍

片式电子元器件在进行自动贴装（SMT）时，有时要经过反复几次，而且温度高（一般在260℃左右），有些高温的要求在300℃以上。所以在镀锡前必须镀上一次具有耐热性能较好的镍阻挡层，保障元器件在SMT时的锡层流失。

1.4 表面处理工艺—镀锡

片式电子元器件要获得焊接性能，可以选择镀锡、镀银、镀金等工艺，但镀银、镀金工艺成本高且处理液有剧毒，所以现在普遍选用镀锡工艺。传统的酸性镀锡处理液对片式元器件有腐蚀，用中性镀锡工艺较为合适。

1.5 表面处理工艺—锡后保护

在镀锡后加上一层保护膜，可以让片式元器件在存放时抵抗环境中水汽、有害气体及高温的伤害。同时，可解决装贴时锡层的变色、焊接后的有空隙等问题。

2 表面处理技术应用的关键指标

2.1 溶液/处理液PH值

不管是前、后处理液还是处理液，PH值的高低由片式元器件固有的材料特性（一般由粉体材料、端电极材料）决定，对不同的加工对象，PH值也各不相同。一般情况下，片式电阻适于PH值3及以下，片式电容PH在4-6，片式电感介于这二者之间。近年来，市场上开始流行有中性电镀锡概念，对于何谓中性电镀锡，并没有明确的定义。但就二价锡来说，并非PH值越高越好，因随着PH值的升高，二价锡氧化成四价锡的概率变大，易造成锡处理液不稳定，即使有抗氧化剂的加入也很难改变这种不稳定的趋势[3]。所以，合适的PH值不仅是片式元器件固有可靠性的选择，也是镀/溶液稳定的关键。

2.2 镀层

2.2.1 镀层厚度

镀层厚度与片式元器件本身的结构，特别是端电极金属的结构关系较大；镀层厚度的高低（特别是硬度较大的底层金属镀层如镍等）不但决定了片式元器件耐热冲击的容忍度，也决定了焊接性能的好坏。底层镀层越厚，表面相对来说较为平整，则外层的锡层在焊接时润湿能力较好，易上锡；但底层镀层越厚对瓷体产生的应力反作用力越大，在热冲击的情况下，瓷体易受损，出现微裂纹而失效。故一般底层铜镀层在（5-8）um、底层镍镀层在（2-5）um、锡层在（5-10）um。

2.2.2 镀层的晶相

这是表面处理技术有关镀层的最关键的一个指标。镀层结晶的致密性（晶粒间的间隙）、均匀性（晶粒形状的大小）是良好镀层的根本，可以这样说，整个电镀过程（电化学反应过程）都是围绕这两个特性进行的，这两个特性直接决定了焊接性能的好坏。该指标与处理液的材料、组份、温度、PH值、电流密度关系较大，不在此详述了。

2.2.3 镀层平整性

该参数目前较难量化，可通过镀层/底层表面的平整度或粗糙程度来表示。一般情况下，镀层/底层表面越粗糙，越易吸附处理液中的杂质离子或造成气泡停留或吸附空气中的浮尘粒子，使镀层表面的杂质增多而影响到镀层间的嵌合或污染镀层。

2.3 去离子水电导率

去离子水清洗的作用是把片式元器件表面的杂质离子去除，从而避免不同溶液间的交叉污染，并保障镀层表面的清洁。其中，电导率是去离子水的关键指标，对于片式元器件不同种类，对其电导率要求有不同，一般来说，片式电阻、片式电感等的较高，片式电容的较低。电导率越低则表示去离子水的水质好，大部分表面处理技术厂家的标准在（15-50）uS/cm。

3 表面处理技术应用中常见质量问题分析及处理方法

3.1 外观

A端电极延伸/爬镀原因：（1）单位面积内阴极电流密度大，端电极结晶速率过快。（2）设备转动慢或不转动。（3）表面处理液PH偏低或其组分参数失。（4）片式元器件材料材料特性所致。解决方法：（1）降低单位面积阴极电流密度或增加阴极表面积，确保合适的电流密度。（2）定期对设备保养或采用自动化程度高的设备，维护设备稳定性。（3）提高处理液PH或把组分参数调整到工艺范围内。（4）改善镀前材料的特性或对特殊材料片式元器件定置专用处理液。

B端电极发黑原因：（1）设备停转导致阴极处局部电流密度过大，在大电流瞬间冲击下，出现发黑现象。（2）表面处理液中添加剂（含有光亮作用）成分偏低。（3）端电极表面有非金属导体杂质无法镀上正常镀层。解决方法：（1）定期对设备保养或采用自动化程度高的设备，维护设备稳定性。（2）控制好处理液中各添加剂含量的组份，可用赫尔槽试验定期分析。（3）做好表面处理前端电极表面的工艺卫生。

C端电极粗糙原因：（1）设备停转导致阴极处局部电流密度过大，结晶速率过大镀层疏松。（2）阴极漏电处粘附有部分片式元器件，在大电流密度作用下，出现结晶异常、粗糙。解决方法：（1）定期对设备保养或采用自动化程度高的设备，维护设备稳定性。（2）修复阴极漏电部位或更换阴极。

3.2 镀层

镀层偏低原因：（1）表面处理过程中阴极电流密度偏低或处理时间过短。（2）处理液组份比例失调或杂质离子含量过高。解决方法：（1）增大阴极电流密度或加长处理时间。（2）控制表面处理液各组份或清除杂质离子。

镀层偏高原因：（1）表面处理过程中阴极电流密度偏高或处理时间过长。（2）镀层均匀性差，厚度极差大导致镀层偏高。解决方法：（1）降低阴极电流密度或减少处理时间。（2）控制设备内部的搅拌状态，减少极差[4]。

3.3 焊接

可耐焊上锡不良原因：（1）表面处理层偏薄。（2）表面处理液组份比例失调或杂质离子含量过高。（3）表面处理层结晶不致密、孔隙多。（4）表面处理层表面有污物。（5）表面处理层表面氧化。解决方法：（1）提高表面处理层到合适厚度。（2）控制表面处理液各组份或清除杂质离子。（3）改善表面处理层结晶，提高致密性、减少孔隙。（4）控制去离子水的清洗及后续流程加工的二次污染。（5）控制储存环境。

回流焊上锡不良原因：（1）表面处理层结晶疏松多孔。（2）底层金属或表面处理层局部缺失。（3）表面处理层有多重（至少两重以上）。（4）表面处理层表面有污物。（5）表面处理层表面氧化。解决方法：（1）改善表面处理层结晶，提升致密性、减少孔隙。（2）控制片式元器件表面处理前过程及减少表面处理过程污染或处理后的硬物机械损伤。（3）改善锡层结晶，提高致密性、减少孔隙。（4）控制去离子水的清洗及后续流程加工的二次污染。（5）控制运输及储存环境[5]。

3.4 可靠性

主要指片式元器件的电气性能完全失效或部分失效，这里只讨论与表面处理技术有关的因素。原因分析：（1）表面处理液PH值过低，导致内外电极连接处被腐蚀。（2）表面处理底层金属氧化导致表面处理层脱落。（3）表面处理液与端电极中的某些组份发生不良反应，导致端电极脱落。（4）受热冲击时基体有裂纹。解决方法：（1）控制表面处理液的PH值在合理范围内。（2）管控好表面处理过程，杜绝表面处理底层金属氧化。（3）改良表面处理液材料特性，防止与端电极的组份发生不良反应。（3）采用预热的方式[6]。