眾所周知，錫鉛(Sn-Pb)合金焊料能優(yōu)異，在電子元器件的組裝領(lǐng)域得廣泛應(yīng)用。但是，非常遺憾的是Sn-Pb中的鉛對于環(huán)境和人體健康有害，限制使用含鉛電子材料的活動(dòng)已正式啟動(dòng)。
在歐洲歐洲委員會已提出電子機(jī)器棄物條令案的第3次草案明文規(guī)定，在2004年的廢棄物中嚴(yán)禁有鉛Pb、鎘Cd、汞Hg和6價(jià)鉻Cr等有害物質(zhì)。在亞洲的日本于1998年已制定出家電產(chǎn)品回收法案，從2001年開始生產(chǎn)廠家對已使用過的廢棄家電產(chǎn)品履行回收義務(wù)。根據(jù)這一法案，日本各個(gè)家電·信息機(jī)器廠家開始勵(lì)行削減鉛使用量的活動(dòng)。在這樣的背景下，強(qiáng)烈要求開發(fā)無鉛焊接技術(shù)和相應(yīng)的錫銅Sn-Cu合金電鍍技術(shù)。
無鉛焊料電鍍技術(shù)要求
關(guān)于無鉛焊料電鍍層和電解液，除了不允許使用含鉛物質(zhì)之外比較難于實(shí)現(xiàn)的是要求與以往一直使用的Sn-Pb電鍍層有同樣的寶貴特性。具體要求的性能，如下所述：(1)環(huán)境安全性——不允許有像鉛Pb等有害人體健康和污染環(huán)境的物質(zhì);(2)析出穩(wěn)定性——獲得均勻的外表面和均勻的合金比例;(3)焊料潤濕性——當(dāng)進(jìn)行耐熱試驗(yàn)和高溫、高濕試驗(yàn)后，焊料的潤濕性僅允許有很小程度的劣化;(4)抑制金屬須晶產(chǎn)生;(5)焊接強(qiáng)度粘著性——同焊料材料之間接合可靠性;(6)柔韌性——不發(fā)生斷裂;(7)不污染流焊槽;(8)低成本;(9)良好的可作業(yè)性——主要是指電解容易管理;(10)長期可靠性——即使是長期使用電解液，也能保證電鍍層穩(wěn)定;(11)排水處理——不加特殊的螯合劑(Chelate)，可利用中和凝聚沉淀處理方法清除重金屬。
在選擇無鉛焊料電鍍技術(shù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)綜合分析權(quán)衡上述諸多因素，選Sn-Pb電鍍性能的無鉛焊料電鍍技術(shù)，選擇Sn-Cu(合金焊料)電解液的原因作為無鉛焊料電鍍技術(shù)，現(xiàn)已研究很多種，諸如，試圖以Sn-Zn、Sn-Bi、Sb-Ag和Sn-Cu電鍍?nèi)〈恢笔褂玫腟n-Pb電鍍。然而，這些無鉛電鍍技術(shù)也是各有短、長，并非十全十美。例如，Sn電鍍的優(yōu)點(diǎn)是低成本，確有電子元器采用電鍍錫的力方法，因?yàn)槭菃我唤饘馘a，當(dāng)然不存在電鍍合金比率的管理問題。可是，Sn電鍍的缺點(diǎn)突出，如像產(chǎn)生金屬須晶(Whisker)而且焊料潤濕性隨時(shí)間推移發(fā)生劣化。Sn-Zn電鍍的長處于在成本和熔點(diǎn)低，美中不足是大氣中焊接困難，必須在氮?dú)庵袑?shí)現(xiàn)焊接。Sn-Bi電鍍的優(yōu)勢是熔點(diǎn)低而且焊料潤濕性優(yōu)良，其劣勢也不勝枚舉：因?yàn)锽i是脆性金屬，含有Bi的Sn-Bi鍍層容易發(fā)生裂紋，而且組裝后的器件引線和電路板焊接界面剝(Liftoff)，更麻煩的是電解液中的Bi3+離子在Sn-Bi合金陽極或電鍍層上置換沉積。Sn-Ag電鍍的優(yōu)點(diǎn)是接合強(qiáng)度以及耐熱疲勞特性都非常好，缺點(diǎn)是成本高，也存在Sn-Ag陽極和Sn-Ag鍍層上出現(xiàn)Ag置換沉積現(xiàn)象。
上述的無鉛電鍍技術(shù)都有優(yōu)異的特性，同時(shí)也存在很多有待進(jìn)一步研究的課題，實(shí)用化為時(shí)尚早。為此，日本上村工業(yè)公司認(rèn)為Sn-Cu電鍍最有希望取代Sn-Pb電鍍，可以發(fā)展成實(shí)用化技術(shù)，于是決定開發(fā)Sn-Cu電解液。關(guān)于Sn-Cu電鍍層特性，它除了熔點(diǎn)稍許偏高(Sn-Cu共晶溫度227℃)之外，潤濕性良好。成本低，對流焊槽無污染，而且可抑制金屬須晶生成。
Sn-Cu合金焊料的開發(fā)Sn/Sn2+的標(biāo)準(zhǔn)電極電位是-0.136Vvs.SHE(25℃)，然而Cu/Cu2+是+0.33V，兩者之間的電位差比較大，在—般的單純鹽類電解液里，銅Cu很容易優(yōu)先析出。
而且，當(dāng)用可溶性Sn陽極或者Sn-Cu合金陽極的時(shí)候，由于電解液中的Cu2+離子和陽極的Sn之間置換反應(yīng)產(chǎn)生析出沉表1標(biāo)準(zhǔn)電解液和作業(yè)條件(獲得sn-lwt%Cu鍍層的情況積。因此，把電解液中的Sn2+和Cu2+的析出電位搞得相接近，需要有抑制銅Cu優(yōu)析出的絡(luò)合劑。通過研究各種各樣的絡(luò)合劑，最后終于找到Sn-Cu電解液配方，它能使Sn和Cu形成合金并可抑制在銅Cu陽極上的置換沉積。在這種電解液的基礎(chǔ)出上，開發(fā)出鍍層特性優(yōu)良的Sn-Cu合金電解液“Soft Alloy GTC”，將在下文詳細(xì)介紹。
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