任秀斌，裘宇，吳水，肖定軍，安茂忠 *

（1.廣東光華科技股份有限公司，廣東 汕頭 515061；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)應(yīng)用化學(xué)系，黑龍江 哈爾濱 150001）

錫鉛合金因可焊性良好而被廣泛應(yīng)用于被動(dòng)電子元件(如陶瓷電容、陶瓷電阻、電感類元器件)領(lǐng)域，但鉛對(duì)人體和環(huán)境有害，因此純錫電鍍替代錫鉛合金電鍍成為發(fā)展趨勢(shì)[1-2]。目前電子設(shè)備朝小型化和高性能方向發(fā)展，被動(dòng)元件的尺寸越來(lái)越小。小尺寸被動(dòng)元件容易發(fā)生2 個(gè)元器件粘在一起的問(wèn)題(簡(jiǎn)稱“雙聯(lián)”)[3-4]，使產(chǎn)品的合格率大幅降低。本文采用甲基磺酸亞錫為主鹽，甲基磺酸為主酸(其主要作用是保證陽(yáng)極能夠較迅速地溶解和調(diào)節(jié)pH)，對(duì)0603 型陶瓷電阻電鍍純錫。所得被動(dòng)元件具有致密的鍍層、較低的雙聯(lián)率、良好的可焊性和一致性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 工藝流程

采用0603 型陶瓷電阻為基體，其電阻為1 kΩ，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 0603 型陶瓷電阻的切面圖Figure 1 Cross-sectional view of 0603-type ceramic resistor

電鍍純錫的主要工藝流程為：除油→電鍍/滾鍍鎳→水洗→電鍍/滾鍍錫→水洗→烘干。

1.2 電鍍錫配方和工藝

被動(dòng)元件電鍍屬于低速電鍍，采用滾鍍方式，滾鍍又分為閉口水平式滾鍍和開(kāi)口傾斜式滾鍍。閉口水平式滾鍍的雙聯(lián)率低，但由于攪動(dòng)劇烈，被動(dòng)元件容易磨損，鍍層的一致性較開(kāi)口傾斜式滾鍍稍差。采用開(kāi)口傾斜式滾鍍的被動(dòng)元件一致性好、不容易磨損，但雙聯(lián)率較高。本文選用開(kāi)口傾斜式滾鍍工藝[5]，具體配方和工藝條件[6-7]如下：

其中料球比指被動(dòng)元件與滾筒中導(dǎo)電鋼珠的質(zhì)量比，密度指鍍液的密度。

1.3 性能表征

1.3.1 生產(chǎn)穩(wěn)定性

采用CPK 值(制程能力指數(shù)，Complex Process Capability Index)和產(chǎn)品雙聯(lián)率(dr)表征生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性。

(1) CPK：按式(1)計(jì)算，CPK 越大表示制程能力越強(qiáng)，本工藝要求CPK 高于1.33，即控制產(chǎn)品不合格率在0.006 3%以下。

式中，Cmax、Cmin分別為控制上、下限，即客戶要求的錫層厚度上、下限，一般為；Dmax、Dmin分別為設(shè)計(jì)上下限，本文要求0603 型陶瓷電阻的錫層厚度為4 ~ 12 μm；xi為樣本i 的錫層厚度；n 為樣本總數(shù)；σ 為標(biāo)準(zhǔn)差，指錫層平均厚度。

(2) 雙聯(lián)率：按式(4)計(jì)算。

式中，mdul指發(fā)生雙聯(lián)的陶瓷電阻的質(zhì)量，m 指陶瓷電阻的總質(zhì)量。

1.3.2 厚度和微觀結(jié)構(gòu)

錫層厚度和微觀結(jié)構(gòu)的測(cè)定采用DPA(Destructive Physical Analysis，破壞性物理分析)法。

先用環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)被測(cè)陶瓷電阻進(jìn)行灌膠，固化15 min 后，在研磨機(jī)上依次用400、800、1 000 和1 500 目砂紙研磨，然后用拋光粉拋光，沖洗并烘干后，采用OLYMPUS BX51M 金相顯微鏡及其配套軟件測(cè)定錫層厚度。

采用日本JEOL JSM-6510LV 型掃描電鏡(SEM)觀察鍍錫層的形貌并測(cè)定鍍層晶粒的尺寸。

1.3.3 可焊性

(1) 潤(rùn)濕平衡(wetting balance)測(cè)試：將陶瓷電阻置于裝有25 g 錫球(直徑2 mm)的RHESCA SAT-5200T 潤(rùn)濕平衡測(cè)試儀中，溫度235 °C，浸入深度0.1 mm，浸入速率3 mm/min，停留時(shí)間5 s，設(shè)備自動(dòng)記錄達(dá)到潤(rùn)濕平衡的時(shí)間。

(2) 8 h Steam(蒸汽) + Reflow(回流)試驗(yàn)：將陶瓷電阻置于100 °C 水蒸汽中保持8 h，隨后用HELLER 1809 EXL 無(wú)鉛回流焊系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 鍍錫層厚度分布

統(tǒng)計(jì)了5 000 批產(chǎn)品的厚度變化，并隨機(jī)抽取35 批(每批35 個(gè)樣)計(jì)算CPK，結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2 可知，CPK 均大于1.33，說(shuō)明該純錫電鍍產(chǎn)品批次間的穩(wěn)定性較高。

圖2 0603 型電阻的CPK 值(錫層厚度分布)Figure 2 CPK value for evaluating the thickness distribution of tin coating on 0603-type ceramic resistor

為檢測(cè)批次內(nèi)鍍錫層厚度分布的均勻性，隨機(jī)選取了某一批次的0603 型陶瓷電阻20 顆，分別測(cè)定圖1 中C1、C2、C3、C4 和C5 處的鍍錫層厚度，結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3 可知，該批次內(nèi)不同位置的錫層厚度均在5 ~ 7 μm之間，算得其標(biāo)準(zhǔn)偏差多數(shù)低于0.5，說(shuō)明不同位置的鍍錫層厚度分布較為一致。

圖3 0603 型陶瓷電阻上不同位置的錫層厚度及其標(biāo)準(zhǔn)偏差Figure 3 Thicknesses of tin coatings at different positions of 0603-type ceramic resistors and their standard deviation

2.2 鍍錫層微觀狀態(tài)

鍍錫層的質(zhì)量直接取決于其致密性和平整度，因此采用掃描電鏡及其附帶的能譜儀(EDS)測(cè)定鍍錫層的平整度、致密性和純度。具體操作為：隨機(jī)選擇一個(gè)0603 型陶瓷電阻，檢測(cè)其表面鍍錫層SEM 照片(如圖4a 所示)中對(duì)角線上的顆粒尺寸，結(jié)果見(jiàn)圖5。

從圖4b 可知，所得鍍層中幾乎全是金屬錫，而氧元素為空氣中的吸附氧(新鍍得的錫層具有很高的表面活性，空氣中的O2會(huì)吸附在其表面，簡(jiǎn)稱“吸附氧”)。鍍層結(jié)合力良好，沒(méi)有明顯的孔洞和顆粒松散。從圖5可知，20 個(gè)樣品顆粒的平均尺寸為3.9 μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.718，說(shuō)明鍍層顆粒大小均勻。

圖4 0603 型陶瓷電阻表面錫層的SEM 照片和EDS 譜圖Figure 4 SEM image and EDS spectrum of tin coating on the surface of 0603-type ceramic resistor

如圖6 所示，隨機(jī)取一顆0603 型陶瓷電阻對(duì)C1、C2、C3 處錫層進(jìn)行DPA 測(cè)試。從圖6 可知，鍍錫層非常平整，厚度基本一致，無(wú)明顯的鍍層凸起部分。

圖5 20 個(gè)樣品錫鍍層的顆粒尺寸及其標(biāo)準(zhǔn)偏差Figure 5 Particle sizes of Tin coatings on twenty samples and their standard deviation

圖6 鍍錫0603 型陶瓷電阻的截面形貌Figure 6 Cross-sectional morphology of tin-plated 0603-type ceramic resistor

2.3 鍍錫層的可焊性

被動(dòng)元件鍍錫的主要目的之一是提高被動(dòng)元件的可焊性[8-9]，因此可焊性是鍍錫層的重要指標(biāo)之一。為此采用潤(rùn)濕平衡試驗(yàn)(隨機(jī)取4 個(gè)樣品)和8 h 水蒸汽+回流試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)鍍錫層的可焊性，結(jié)果分別見(jiàn)圖7 和圖8。

圖7 0603 型陶瓷電阻的潤(rùn)濕平衡試驗(yàn)結(jié)果Figure 7 Wetting balance test results of 0603-type ceramic resistor

潤(rùn)濕平衡試驗(yàn)中樣品達(dá)到平衡的時(shí)間越短，說(shuō)明可焊性越好，潤(rùn)濕平衡時(shí)間低于1 s 就可以判定為可焊性優(yōu)良。從圖7 可知，隨機(jī)選取的0603 型電阻的潤(rùn)濕平衡時(shí)間在0.1 ~ 0.2 s 之間，可焊性優(yōu)良。

圖8 0603 型陶瓷電阻8 h 水蒸汽+回流試驗(yàn)前后的照片(× 75)Figure 8 Photos of 0603-type ceramic resistor before and after 8 h steam plus reflow test

陶瓷電阻在使用過(guò)程中需要保證至少2 年不出現(xiàn)異常，若試樣能通過(guò)8 h 水蒸汽+回流試驗(yàn)，則表明陶瓷電阻滿足該要求。從圖8 可知，鍍錫層爬錫飽滿，說(shuō)明鍍錫層可焊性優(yōu)良[10-11]。

2.4 被動(dòng)元件的雙聯(lián)率

電鍍錫應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，除了要保證產(chǎn)品品質(zhì)外，還要保證生產(chǎn)的穩(wěn)定性和易操作性。因此陶瓷電阻在生產(chǎn)過(guò)程中的雙聯(lián)率和品質(zhì)穩(wěn)定性顯得尤為重要。隨機(jī)抽取25 批0603 型陶瓷電阻測(cè)定其雙聯(lián)率，結(jié)果見(jiàn)圖9。從圖9 可知，初次雙聯(lián)率基本上低于5%，經(jīng)過(guò)振蕩處理后雙聯(lián)的陶瓷電阻基本上都可以分開(kāi)，雙聯(lián)率為0%。這說(shuō)明該體系電鍍雙聯(lián)率較低，生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定。

圖9 0603 型陶瓷電阻的雙聯(lián)率Figure 9 Sticking ratio of 0603-type ceramic resistor

3 結(jié)論

(1) 采用本體系純錫電鍍工藝能夠增強(qiáng)陶瓷電阻批次內(nèi)的穩(wěn)定性，鍍錫層的厚度在5 ~ 7 μm 之間。

(2) 鍍錫層均勻致密，鍍層顆粒的平均尺寸為3.9 μm，大小均勻。

(3) 鍍錫層的可焊性優(yōu)良，濕潤(rùn)平衡時(shí)間在0.1 ~ 0.2 s 之間。

(4) 所得0603 型陶瓷電阻的雙聯(lián)率低，產(chǎn)品合格率高。

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