[發(fā)明專利]一種弱堿性錫基無(wú)鉛釬料復(fù)合鍍液及其應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310074729.9
• 申請(qǐng)日: 2013-03-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103132113A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-06-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃明亮;潘劍靈;趙寧;張同心;趙杰;馬海濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號(hào): C25D3/60
• 分類號(hào): C25D3/60;C25D15/00
• 代理公司: 大連東方專利代理有限責(zé)任公司 21212
• 代理人: 趙淑梅;李馨

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種弱堿性錫基無(wú)鉛釬料復(fù)合鍍液及利用該復(fù)合鍍液制備合金鍍層的工藝，屬于電鍍技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

電子封裝行業(yè)中過(guò)去常用的釬焊材料為錫鉛（Sn-37Pb）釬料，從成本、電學(xué)、力學(xué)以及物理和化學(xué)性能等多方面來(lái)考慮，Sn-Pb釬料合金的性能十分優(yōu)異。但鉛是重金屬元素，具有很大的毒性，能夠在自然界中通過(guò)地下水和食物鏈循環(huán)，對(duì)人體健康和環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的危害，已被環(huán)境環(huán)保機(jī)構(gòu)(EPA)列入為17種對(duì)人體和環(huán)境危害最大的化學(xué)物質(zhì)之一。美國(guó)、歐盟、中國(guó)和日本也先后推出各自的立法來(lái)限制鉛及含鉛物質(zhì)的使用。

上世紀(jì)90年代初，國(guó)內(nèi)外開(kāi)始了無(wú)鉛釬料的研究，尋求替代有毒有害的Sn-Pb釬料。無(wú)鉛釬料應(yīng)滿足以下要求：低熔點(diǎn)、良好的潤(rùn)濕性、優(yōu)良的力學(xué)性能和電學(xué)性能以及無(wú)毒性。研究結(jié)果表明，目前主流的無(wú)鉛釬料是富Sn的合金（Sn含量均超過(guò)90wt%），Sn含量大大超過(guò)錫鉛釬料合金中的63wt%。無(wú)鉛釬料合金中一般添加少量的第二或第三元素，主要添加的元素有Cu、Ag、Ni和Zn等。

合金電鍍方法制備錫基可焊性鍍層和錫基無(wú)鉛凸點(diǎn)具有成本低廉、工藝簡(jiǎn)單和可制作微小尺寸凸點(diǎn)(微米級(jí))等優(yōu)點(diǎn)。合金電鍍的核心為合金鍍液的研發(fā)，對(duì)于錫合金鍍液來(lái)說(shuō)，二價(jià)錫離子的沉積電位為-0.14V，與其共沉積的金屬離子如，二價(jià)銅離子的沉積電位為+0.34V，一價(jià)銀離子的沉積電位為+0.799V，二價(jià)鋅離子的沉積電位為-0.76V，與錫離子的沉積電位相差較大，不易實(shí)現(xiàn)共同析出，需要加入合適的絡(luò)合劑和添加劑來(lái)改變其析出電位以達(dá)到共沉積。對(duì)于不同的金屬離子，與之匹配的絡(luò)合劑、添加劑也不相同，因此需要對(duì)絡(luò)合劑、添加劑進(jìn)行篩選，還需要考慮不同種類絡(luò)合劑、添加劑之間的兼容性，需要花費(fèi)大量的時(shí)間和物力。即使加入合適的絡(luò)合劑和添加劑，使得錫與其他合金元素能夠?qū)崿F(xiàn)共同析出，但是由于絡(luò)合劑和添加劑等鍍液成分對(duì)錫和其他合金元素沉積的影響不同，因此準(zhǔn)確控制合金鍍層中的合金成分也比較困難。

復(fù)合電鍍技術(shù)是在電鍍基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種表面處理技術(shù)，在電鍍液中加入固體微粒如金屬顆粒等，通過(guò)攪拌使固體微粒懸浮于溶液中，實(shí)現(xiàn)分散微粒與基體金屬的共沉積，可制備功能性鍍層，例如可焊性鍍層等。采用復(fù)合電鍍技術(shù)，將錫基無(wú)鉛釬料鍍層中合金元素的金屬顆粒直接加入到錫電鍍液中，直接獲得不同合金體系的錫基無(wú)鉛釬料復(fù)合鍍層。

目前工業(yè)中常用的鍍錫體系主要有以下四種，強(qiáng)堿性錫酸鹽工藝，強(qiáng)酸性氟硼酸鹽鍍錫工藝，強(qiáng)酸性甲基磺酸鹽工藝和強(qiáng)酸性硫酸鹽工藝。錫酸鈉或錫酸鉀為主鹽的強(qiáng)堿性錫酸鹽工藝具有強(qiáng)腐蝕性，不適合應(yīng)用于電子工業(yè)中。強(qiáng)酸性氟硼酸鹽鍍錫工藝中的電鍍廢水難以處理，嚴(yán)重污染環(huán)境且腐蝕性強(qiáng)，其應(yīng)用受到了很大的限制，在一些國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)明令禁止使用。強(qiáng)酸性甲基磺酸鹽工藝成本高，并且其工藝尚有待完善。雖然強(qiáng)酸性硫酸鹽工藝是目前應(yīng)用最廣的鍍錫工藝，具有沉積速度快，電流效率高，原料易得，成本較低，控制和維護(hù)都較方便，廢水易處理等優(yōu)點(diǎn)，但是硫酸具有強(qiáng)腐蝕性、強(qiáng)氧化性，相應(yīng)的鹽可溶性較低，因此鍍液穩(wěn)定性較差。上述四種鍍錫體系均具有強(qiáng)腐蝕性，電鍍過(guò)程中以及電鍍后殘留的鍍液均會(huì)導(dǎo)致電子產(chǎn)品可靠性的降低。

目前，不活潑的金屬元素銅、銀和金為錫基無(wú)鉛釬料合金中常用的添加元素，然而隨著錫基無(wú)鉛釬料的發(fā)展和焊接應(yīng)用需求的增加，發(fā)現(xiàn)其它較活潑的金屬元素如，鈦、鋁、鋅、鎳、鐵、鈷、鉍能夠有效地改善錫基無(wú)鉛釬料的性能，適應(yīng)于不同金屬或合金之間的焊接。例如，錫基無(wú)鉛釬料中添加鋅元素，可以提高釬料與鋁基板之間的焊接強(qiáng)度，適應(yīng)于鋁銅無(wú)鉛釬焊。錫基無(wú)鉛釬料中添加鋁元素，能夠提高釬料的抗氧化性；錫基無(wú)鉛釬料中添加鉍元素，可以降低無(wú)鉛釬料的熔點(diǎn)，適應(yīng)于低熔點(diǎn)焊接；錫基無(wú)鉛釬料中添加鎳元素，可以提高釬料的耐蝕性。因此，錫基無(wú)鉛釬料合金元素不僅僅局限于不活潑的金屬元素銅、銀和金，還可以為較活潑的金屬元素如鈦、鋁、鋅、鎳、鐵、鈷、鉍等。另一方面，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，不活潑的金屬元素銅、銀和金為貴金屬元素，價(jià)格較高，而較活潑的金屬元素價(jià)格較低，更有利于推廣和應(yīng)用。