電沉積Sn-SiC納米復(fù)合鍍層及其可焊性研究.pdf

1、錫鉛合金鍍層因?yàn)榫哂袃?yōu)良的抗蝕性和可焊性，能有效抑制錫晶須生長，曾被廣泛應(yīng)用于電子封裝工業(yè)中。但是由于Pb對環(huán)境造成的負(fù)面影響，現(xiàn)已被禁止作為可焊性鍍層使用。因此，開發(fā)性能優(yōu)良的無鉛可焊性鍍層是未來電鍍領(lǐng)域的發(fā)展方向。通過分析現(xiàn)有合金鍍層存在的問題及納米顆粒復(fù)合鍍層的特點(diǎn)，嘗試開發(fā)Sn-SiC復(fù)合鍍層，以提高鍍層的焊接可靠性，推進(jìn)可焊性鍍層的無鉛化進(jìn)程。
　　分別以直流、單脈沖及周期換向脈沖電沉積三種方式制備了Sn-SiC復(fù)合鍍層

2、，考察了鍍液組成及電沉積工藝對復(fù)合鍍層中納米SiC顆粒含量、鍍層微觀形貌及鍍層殘余應(yīng)力的影響，最終確定出周期換向脈沖電沉積的鍍液組成及工藝條件為：50g·L-1Sn(CH3SO3)2，90ml·L-170％甲磺酸（MSA），30g·L-1納米SiC，50mg·L-1十二烷基硫酸鈉（SDS），2g·L-1對苯二酚，4ml·L-1光亮劑，正向工作時(shí)間3ms，正向工作比0.3，正向脈沖平均電流密度2.5A·dm-2，反向工作時(shí)間3ms，反向工

3、作比0.2，反向脈沖平均電流密度0.25A·dm-2，電極傾斜角度45°，溫度20℃。通過對鍍層組成、形貌及結(jié)構(gòu)的表征，表明復(fù)合鍍層中納米SiC的加入有利于細(xì)化沉積金屬晶粒、平整鍍層，改善鍍層的應(yīng)用性能；以浸漬實(shí)驗(yàn)及Tafel曲線對鍍層耐蝕性進(jìn)行了考察，通過潤濕鋪展實(shí)驗(yàn)探討了復(fù)合鍍層的可焊性。
　　三種電沉積方式下，隨著鍍液中SiC微粒的濃度增大，復(fù)合鍍層中微粒復(fù)合量增加，復(fù)合鍍層中由于納米SiC微粒的加入，有利于新晶核的生成，能

4、夠細(xì)化錫的結(jié)晶顆粒；Sn-SiC復(fù)合鍍層的耐蝕性及抗高溫氧化性均隨著SiC微粒復(fù)合量的提高而增強(qiáng)；但是鍍層中SiC微粒復(fù)合量的提高，也會使鍍層的殘余壓應(yīng)力增加。
　　在鍍液組成相同的情況下，周期換向脈沖電沉積方式，可有效增大陰極還原超電勢、細(xì)化沉積金屬晶粒，提高鍍層中 SiC微粒的復(fù)合量，而反向脈沖電流對基質(zhì)金屬的溶解作用，在平整鍍層的同時(shí)，大大降低了復(fù)合鍍層的殘余應(yīng)力，有效減少了團(tuán)聚微粒在鍍層中的存在；當(dāng)鍍層中納米 SiC復(fù)合量

5、相近的情況下，周期換向脈沖電沉積所得鍍層具有最好的耐蝕性及抗氧化性，而直流電沉積所得鍍層最差。
　　對復(fù)合電沉積機(jī)理的研究結(jié)果表明，Sn-SiC復(fù)合鍍層的電沉積行為符合Guglielmi提出的兩步吸附機(jī)理，即鍍液中的微粒首先以弱吸附形式吸附于電極表面，隨后僅有少數(shù)微粒轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)吸附，并被嵌入鍍層；SiC微粒與電極間作用力較弱，因而也導(dǎo)致該微粒在鍍層中的復(fù)合量較低；電流密度小于3A·dm-2時(shí)，鍍層中 SiC的體積百分比隨電流密度增加

6、而提高，電極與溶液界面的場強(qiáng)對納米微粒的共沉積的促進(jìn)作用更為顯著，用電化學(xué)機(jī)理可以對納米 SiC的復(fù)合電沉積過程給予合理解釋。
　　不同電勢掃描速率下的循環(huán)伏安曲線中陰極的峰值電流（ip）與電勢掃描速率的平方根（υ1/2）呈較好的線性關(guān)系，表明電沉積過程為擴(kuò)散控制。
　　稀土元素可作為復(fù)合電沉積的添加劑使用，以改善鍍層的組成及性質(zhì)。針對鍍液中La3+濃度對復(fù)合電沉積的影響的研究結(jié)果表明，鍍液中加入La3+后，SiC微粒的ze

7、ta電勢顯著增加，復(fù)合鍍層中SiC微粒的含量得到提高，鍍層表面更為平整；當(dāng)La3+與適量的檸檬酸鈉共存于鍍液中時(shí)，鑭元素的沉積電勢發(fā)生正移，實(shí)現(xiàn)了稀土鑭與錫在銅電極上的共沉積，得到的復(fù)合鍍層中鑭的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到2.35%~2.48%。
　　鍍層的潤濕性及抑制錫須生長性能為表征鍍層可焊性的兩個(gè)重要指標(biāo)，本文對二者進(jìn)行考察，得到了鍍層結(jié)構(gòu)與可焊性的關(guān)系。對鍍層耐錫須生長性能的研究結(jié)果表明，鍍層中錫晶粒的（220）和（321）等晶面取向以

8、及金屬間化合物Cu6Sn5的存在，有利于錫須的生長，（420）晶面取向則恰好相反。鍍層殘余應(yīng)力為促進(jìn)錫須生長的主要因素之一，在殘余應(yīng)力相近的情況下，復(fù)合鍍層的晶粒越細(xì)致、均一、致密，錫須突破鍍層表層所需的阻力就越增大，對錫須的生長起到的阻礙作用就越明顯。
　　復(fù)合鍍層的可焊性研究結(jié)果表明，三種電沉積方式下得到的復(fù)合鍍層呈現(xiàn)相似的規(guī)律，即在一定范圍內(nèi)，鍍層中 SiC復(fù)合量提高，復(fù)合鍍層變得平整、致密、晶粒細(xì)化，因此可使鍍層的潤濕性提