一種電鍍Sn-Cu合金的裝置及其方法

2023-07-22 19:50:01

專利名稱：一種電鍍Sn-Cu合金的裝置及其方法
技術領域：
本發明涉及一種電鍍Sn-Cu合金的裝置，本發明同時還涉及一種電鍍Sn-Cu 合金的的方法，具體通過在電子元器件表面電鍍一層Sn-Cu合金，以確保金屬表 面具有良好的可焊性。
背景技術：
電子零部件上往往要鍍覆可焊性鍍層，以確保良好的焊接性能，Sn和Sn-Pb 合金鍍層具有優良的可焊性，已經廣泛地應用於電子工業領域中，但是Sn-Pb合 金鍍層中含有汙染環境的鉛，錫鍍層容易產生導致電路短路的晶須。
近年來隨著人們環保意識的增強和對於自身健康的關注，鉛汙染越來越受到 人們的重視，越來越多的研究表明，鉛對人類和環境構成了嚴重的威脅。2003 年7月13日，歐盟正式頒布WEEE/RoHS法令，並明確要求其所有成員國必須 在2004年8月13日以前將此指導法令納入其法律條文中。該法令嚴格要求在電 子信息產品中不得含有鉛、汞、鎘、六價鉻、多溴聯苯(PBB)及多溴二苯醚(PBDE)。 嚴格的禁鉛條例使電子封裝產業對無鉛材料提出了更高的要求，已經成熟的錫鉛 合金必須被性能相近或更高的無鉛材料所替代。
現在已經開發了Sn、 Sn-Ag合金、Sn-Bi合金、Sn-In合金、Sn-Zn和Sn-Cu 合金等可焊性鍍層，純Sn電鍍的優點是低成本，不存在電鍍合金比率的管理問 題。可是，Sn容易產生金屬須晶而且焊料潤溼性隨時間推移發生劣化；Sn-Ag 電鍍的優點是接合強度以及耐熱疲勞特性都非常好，缺點是成本高，存在Sn陽 極上易出現Ag置換沉積現象；Sn-Bi電鍍的優勢是熔點低而且焊料潤溼性優良， 但是Bi是脆性金屬，含有Bi的Sn-Bi鍍層容易發生裂紋，而且組裝後的器件引 線和電路板焊接界面剝離，電解液中的B產離子在Sn-Bi合金陽極或電鍍層上置 換沉積，難以確保電子部件之間的可靠焊接；Sn-In合金鍍層的熔點低於Sn-Pb 合金鍍層的熔點，降低了焊接接合時的焊接強度，銦的價格也較貴；Sn-Zn電鍍 的長處於在成本和熔點低，但是由於Sn-Zn合金鍍層容易氧化，難以在空氣中進 行可靠的焊接；Sn-Cu合金鍍層成本低，鍍層延展性好，結合強度高，能夠有效的抑制金屬晶須，在波峰焊過程中不汙染焊料，既適宜於表面貼裝型的再流焊， 也適用於接插型的波峰焊，但目前已開發的Sn-Cu電鍍工藝中，有機添加劑較多， 鍍層存在夾雜物，導致鍍層可焊性降低，同時，Sn-Cu合金電解液裡，使用可溶 性陽極時在其表面上會置換沉積出Cu金屬。因此，這些電解液中的金屬比率的 平衡遭到破壞，電鍍層的合金比率管理很困難，與此同時還必須維護電鍍用陽極， 如像清除陽極上置換出來的金屬等都是很麻煩的作業。若用不溶性Pt/Ti板等不 溶性陽極時，需要補充藥液費等導致生產成本大增。

發明內容
本發明的目的在於提供一種具有良好可焊性，較強的抗須晶生長能力，成本 低，工藝穩定，合金比例易控制的Sn-Cu合金電鍍裝置及其方法。
本發明提供的電鍍Sn-Cu合金的裝置包括電解槽和給電解槽的陰陽極施加 電流的雙脈衝電源，所述電解槽包括陽極室和陰極室，陽極室和陰極室的中間由 離子選擇性膜隔開，所述陽極室中包括陽極和陽極電解液，所述陰極室中包括陰 極和陰極電解液，所述陽極室和陰極室之間設置有通道。在電鍍過程中，陰極室 的水可以通過離子選擇性膜滲入陽極室，陽極室液面升高，陽極電解液通過通道 流入陰極室；在陰陽極上施加不同波形的雙脈衝電流，在陰極上即可獲得可焊性 鍍層。
在上述裝置中，
所述離子選擇性膜為陽離子膜或陰離子膜； 所述陽極室中的陽極材料為99.99%的純錫；
所述陽極電解液包括甲基磺酸、二價錫離子、抗氧化劑和絮凝劑，其餘為水； 所述陰極電解液包括甲基磺酸、二價錫離子、抗氧化劑、絮凝劑、銅離子、 分散劑和有機酸，其餘為水。
本發明提供的利用上述裝置電鍍Sn-Cu合金的方法，包括以下步驟
(1) 預處理待鍍工件；
(2) 配製陽極電解液和陰極電解液，其中陽極電解液包括甲基磺酸、二價錫 離子、抗氧化劑和絮凝劑，其餘為水；陰極電解液包括甲基磺酸、二價錫離子、 抗氧化劑、絮凝劑、銅離子、分散劑和有機酸，其餘為水；
(3) 將待鍍工件放入電解槽的陰極室，在陰陽極上施加不同波形的雙脈衝電流，即可在陰極上獲得可焊性Sn-Cu合金鍍層。 在上述步驟中，
步驟(l)所述的預處理工序包括除油、拋光、活化和預浸。
步驟(2)所述的陽極電解液中所述二價錫離子為甲基磺酸亞錫，其濃度為
30 150g/L，所述甲基磺酸的濃度為100 300g/L，所述抗氧化劑為間苯二酚、 鄰苯二酚、對苯二酚、抗壞血酸、硫酸肼、苯酚或苯酚磺酸，其濃度為1 25g/L， 所述絮凝劑為聚丙烯醯胺、聚丙烯酸、澱粉衍生物或殼聚糖，其濃度為0.1 10g/L。
步驟(2)所述的陰極電解液中所述二價錫離子為甲基磺酸亞錫，其濃度為 15 100g/L，所述甲基磺酸的濃度為100~300g/L，所述抗氧化劑為間苯二酚、 鄰苯二酚、對苯二酚、抗壞血酸、硫酸肼、苯酚或苯酚磺酸，其濃度為1 25g/L， 所述絮凝劑為聚丙烯醯胺、聚丙烯酸、澱粉衍生物或殼聚糖，其濃度為0.1 10g/L，所述銅離子的濃度為0.1 10g/L，所述分散劑為垸基酚聚氧乙烯醚、聚 乙烯亞胺、聚氧乙烯和聚氧丙烯共聚物、聚氧乙烯脂肪醇醚或聚乙二醇，其濃度 為2~18g/L，所述有機酸為甲基丙烯酸、酒石酸、葡萄糖酸、富馬酸或草酸， 其濃度為1 5g/L。
步驟(3)所述的雙脈衝電流的波形為方波，正嚮導通時間0.1 0.5ms，反嚮導 通時間0.1 0.2ms，正向關斷時間0.8 1.0ms，反向關斷時間0.9 1.2ms，正向 工作時間100ms，反向工作時間10ms,正向佔空比10 30%，反向佔空比10 30%,正向平均電流密度1 2A/dm2，反向電流密度0.1 0.5A/dm2，脈衝頻率 500 3000Hz。
利用本發明裝置及其方法，可以最大限度的降低和去除鍍層潛在的須晶生 長；鍍液中不含對環境有害、難處理的絡合劑和螯合劑；在電鍍過程中使用可溶 性錫陽極，電解液中的二價錫離子不會在可溶性陽極上發生置換反應，降低了生 產成本；採用雙脈衝電流來減少有機添加劑的用量，同時減少鍍層中有機雜質的 夾雜，減小和消除氫脆降低鍍層的內應力，提高鍍層的可焊性。本發明裝置及其 方法適宜於IC引線架、連接器、片狀電容或片狀電阻等電子部件的電鍍需求。


圖1為本發明實施例的電鍍裝置示意圖。
具體實施例方式
以下列舉具體實施例對本發明進行說明，需要指出的是，以下實施例只用於 對本發明作進一步說明，不代表本發明的保護範圍，其他人根據本發明的提示做 出的非本質的修改和調整，仍屬於本發明的保護範圍。 實施例1
(1) 電鍍Sn-Cu合金鍍層的裝置
如圖1所示，本發明提供的電鍍Sn-Cu合金的裝置，其包括電解槽2和給電 解槽的陰陽級施加電流的雙脈衝電源1，所述電解槽包括陽極室3和陰極室4， 陽極室3和陰極室4的中間由離子選擇性膜5隔開，所述陽極室3中包括可溶性 錫陽極6和陽極電解液，所述陰極室中包括陰極7和陰極電解液，所述陽極室3 和陰極室4之間還設置有通道8，在電鍍過程中陰極室的水可以通過離子選擇性 膜5滲入陽極室3，陽極室3液面升高，陽極電解液通過該通道8流入陰極室4， 在陰極7上獲得可焊性鍍層。
(2) 利用上述裝置電鍍Sn-Cu合金鍍層的方法
在紫銅基體上進行Sn-Cu合金可焊性鍍層電鍍實驗，紫銅片經過除油、拋光、 活化、預浸後，放入陰極室，在陰陽極上施加不同波形的雙脈衝電流，即可在陰 極上獲得可焊性Sn-Cu合金鍍層。
其中，陽極電解液配方如下甲基磺酸亞錫濃度為30g/L，甲基磺酸濃度為 100g/L，抗氧化劑間苯二酚濃度為lg/L，絮凝劑聚丙烯醯胺的濃度為0.1g/L。
陰極電解液配方如下甲基磺酸亞錫濃度為15g/L，甲基磺酸濃度為10'0g/L， 抗氧化劑間苯二酚濃度為lg/L，絮凝劑聚丙烯醯胺濃度為0.1g/L，銅離子的濃度 為0.1g/L，分散劑垸基酚聚氧乙烯醚濃度為2g/L，有機酸甲基丙烯酸濃度為lg/L。
電鍍工藝參數為雙脈衝電流的波形為方波，正嚮導通時間0.1ms，反嚮導 通時間O.lms，正向關斷時間0.8ms，反向關斷時間0.9ms，正向工作時間100ms， 反向工作時間10ms，正向佔空比10%，反向佔空比10%,正向平均電流密度 1A/dm2，反向電流密度0.1A/dm2，脈衝頻率500Hz。
(3) Sn-Cu合金鍍層性能測試
對上述紫銅基體上的Sn-Cu合金，進行性能測試。其中，銅和碳含量使用電 子能譜測試，抗變色能力採用蒸汽試驗法，零交時間按照日本標準JEITA-7401中的潤溼天平法測試。
Sn-Cu合金鍍層性能測試結果表明碳質量分數為0.2%，銅質量分數為0.8%， 鍍層厚度為10pm，零交時間為1.6s，不變色。 實施例2
(1) 電鍍Sn-Cu合金鍍層的裝置
電鍍Sn-Cu合金鍍層的裝置同實施例1 。
(2) 利用上述裝置電鍍Sn-Cu合金鍍層的方法
在紫銅基體上進行Sn-Cu合金可焊性鍍層電鍍實驗，紫銅片經過除油、拋光、 活化、預浸後，放入陰極室，在陰陽極上施加不同波形的雙脈衝電流，即可在陰 極上獲得可焊性Sn-Cu合金鍍層。
其中，陽極電解液配方如下甲基磺酸亞錫濃度為60/L，甲基磺酸濃度為 150g/L，抗氧化劑對苯二酚濃度為5g/L，絮凝劑聚丙烯酸濃度為3g/L。
陰極電解液配方如下甲基磺酸亞錫濃度為30g/L，甲基磺酸濃度為200g/L， 抗氧化劑對苯二酚濃度為20g/L,絮凝劑聚丙烯酸濃度為10g/L，銅離子濃度為 8g/L，分散劑聚乙烯亞胺濃度為5g/L，有機酸酒石酸濃度為2g/L。
電鍍工藝參數為雙脈衝電流的波形為方波，正嚮導通時間0.21113，反嚮導
通時間0.2 ms，正向關斷時間0.9ms，反向關斷時間l.Oms，正向工作時間100ms， 反向工作時間10ms，正向佔空比15%，反向佔空比15%，正向平均電流密度 1.5A/dm2，反向電流密度0.3A/dm2,脈衝頻率1000Hz。
(3) Sn-Cu合金鍍層性能測試
對上述紫銅基體上的Sn-Cu合金，進行性能測試。其中，銅和碳含量使用電 子能譜測試，抗變色能力採用蒸汽試驗法，零交時間按照日本標準JEITA-7401 中的潤溼天平法測試。 .
Sn-Cu合金鍍層性能測試結果表明碳質量分數為0.08%，銅質量分數為 1.2%，鍍層厚度為12fim，零交時間為0.45s，不變色。 實施例3
(1) 電鍍Sn-Cu合金鍍層的裝置
電鍍Sn-Cu合金鍍層的裝置同實施例1。
(2) 利用上述裝置電鍍Sn-Cu合金鍍層的方法在紫銅基體上進行Sn-Cu合金可焊性鍍層電鍍實驗，紫銅片經過除油、拋光、 活化、預浸後，放入陰極室，在陰陽極上施加不同波形的雙脈衝電流，即可在陰 極上獲得可焊性Sn-Cu合金鍍層。
其中，陽極電解液配方如下甲基磺酸亞錫濃度為90g/L，甲基磺酸濃度為 200g/L，抗氧化劑鄰苯二酚濃度為15g/L，絮凝劑澱粉衍生物濃度為5g/L。
陰極電解液配方如下甲基磺酸亞錫濃度為50g/L，甲基磺酸濃度為250g/L， 抗氧化劑鄰苯二酚濃度為15g/L，絮凝劑澱粉衍生物濃度為8g/L，銅離子灘度為 6g/L，分散劑聚氧乙烯脂肪醇醚濃度為10g/L，有機酸富馬酸濃度為3g/L。
電鍍工藝參數為雙脈衝電流的波形為方波，正嚮導通時間0.3ms，反嚮導 通時間O.lms,正向關斷時間l.Oms，反向關斷時間0.9ms，正向工作時間100ms， 反向工作時間10ms，正向佔空比30%,反向佔空比20%，正向平均電流密度 2A/dm2，反向電流密度0.4A/dm2，脈衝頻率2000Hz。
(3)Sn-Cu合金鍍層性能測試
對上述紫銅基體上的Sn-Cu合金，進行性能測試。其中，銅和碳含量使用電 子能譜測試，抗變色能力採用蒸汽試驗法，零交時間按照日本標準JEITA-7401 中的潤溼天平法測試。
Sn-Cu合金鍍層性能測試結果表明碳質量分數為0.1%，銅質量分數為1.2%， 鍍層厚度為10pm，零交時間為0.48s，不變色。 實施例4
(1) 電鍍Sn-Cu合金鍍層的裝置
電鍍Sn-Cu合金鍍層的裝置同實施例1 。
(2) 利用上述裝置電鍍Sn-Cu合金鍍層的方法
在紫銅基體上進行Sn-Cu合金可焊性鍍層電鍍實驗，紫銅片經過除油、拋光、 活化、預浸後，放入陰極室，在陰陽極上施加不同波形的雙脈衝電流，即可在陰 極上獲得可焊性Sn-Cu合金鍍層。
其中，陽極電解液配方如下甲基磺酸亞錫濃度為120g/L，甲基磺酸濃度 為250g/L，抗氧化劑苯酚濃度為20g/L，絮凝劑殼聚糖濃度為7g/L。
陰極電解液配方如下甲基磺酸亞錫濃度為70g/L，甲基磺酸濃度為300g/L， 抗氧化劑苯酚濃度為20g/L，絮凝劑殼聚糖濃度為6g/L，銅離子濃度為8g/L，分散劑聚乙二醇濃度為12g/L，有機酸葡萄糖酸濃度為4g/L。 '
電鍍工藝參數為雙脈衝電流的波形為方波，正嚮導通時間0.5ms，反向 導通時間0.2 ms，正向關斷時間l.Oms，反向關斷時間1.2ms,正向工作時間 100ms，反向工作時間10ms，正向佔空比30%，反向佔空比30%，正向平均電 流密度2A/dm2，反向電流密度0.5A/dm2,脈衝頻率3000Hz。 (3)Sn-Cu合金鍍層性能測試
對上述紫銅基體上的Sn-Cu合金，進行性能測試。其中，銅和碳含量使用電 子能譜測試，抗變色能力採用蒸汽試驗法，零交時間按照日本標準JEITA-7401 中的潤溼天平法測試。
Sn-Cu合金鍍層性能測試結果表明碳質量分數為0.12%，銅質量分數為 1.5%，鍍層厚度為10pm，零交時間為0.56s，不變色。 實施例5
(1) 電鍍Sn-Cu合金鍍層的裝置 電鍍Sn-Cu合金鍍層的裝置同實施例1。
(2) 利用上述裝置電鍍Sn-Cu合金鍍層的方法
在紫銅基體上進行Sn-Cu合金可焊性鍍層電鍍實驗，紫銅片經過除油、拋光、 活化、預浸後，放入陰極室，在陰陽極上施加不同波形的雙脈衝電流，即可在陰 極上獲得可焊性Sn-Cu合金鍍層。
其中，陽極電解液配方如下甲基磺酸亞錫濃度為150g/L,甲基磺酸濃度 為300g/L，抗氧化劑苯酚磺酸濃度為25g/L，絮凝劑聚丙烯醯胺濃度為10g/L。
陰極電解液配方如下甲基磺酸亞錫濃度為100g/L，甲基磺酸濃度為280g/L, 抗氧化劑苯酚磺酸濃度為25g/L,絮凝劑聚丙烯醯胺濃度為10g/L，銅離子濃度 為10g/L，分散劑聚乙二醇濃度為18g/L，有機酸甲基丙烯酸濃度為5g/L。
電鍍工藝參數為雙脈衝電流的波形為方波，正嚮導通時間0.5ms，反嚮導 通時間0.1 ms，正向關斷時間l.Oms，反向關斷時間0.9ms，正向工作時間100ms, 反向工作時間10ms，正向佔空比30%，反向佔空比10%，正向平均電流密度 2A/dm2，反向電流密度0.1A/dm2，脈衝頻率2000Hz。
(3) Sn-Cu合金鍍層性能測試
對上述紫銅基體上的Sn-Cu合金，進行性能測試。其中，銅和碳含量使用電
10子能譜測試，抗變色能力採用蒸汽試驗法，零交時間按照日本標準JEITA-7401 中的潤溼天平法測試。
Sn-Cu合金鍍層性能測試結果表明碳質量分數為0.13%,銅質量分數為 1.0%，鍍層厚度為9pm，零交時間為0.37s，不變色。
權利要求
1、一種電鍍Sn-Cu合金的裝置，其特徵在於，該裝置包括電解槽和給電解槽的陰陽極施加電流的雙脈衝電源，所述電解槽包括陽極室和陰極室，陽極室和陰極室的中間由離子選擇性膜隔開，所述陽極室中包括陽極和陽極電解液，所述陰極室中包括陰極和陰極電解液，所述陽極室和陰極室之間設置有通道。
2、 根據權利要求l所述電鍍Sn-Cu的合金裝置，其特徵在於，所述離子選擇性膜為陽離子膜或陰離子膜。
3、 根據權利要求l所述電鍍Sn-Cu的合金裝置，其特徵在於，所述陽極室中的陽極材料為99.99%的純錫。
4、 根據權利要求l所述電鍍Sn-Cu的合金裝置，其特徵在於，所述陽極電解液包括甲基磺酸、二價錫離子、抗氧化劑和絮凝劑，其餘為水。
5、 根據權利要求l所述電鍍Sn-Cu的合金裝置，其特徵在於，所述陰極電解液包括甲基磺酸、二價錫離子、抗氧化劑、絮凝劑、銅離子、分散劑和有機酸，其餘為水。
6、 一種利用權利要求l所述裝置電鍍Sn-Cu合金的方法，其特徵在於，包括以下步驟(1) 預處理待鍍工件；(2) 配製陽極電解液和陰極電解液，其中陽極電解液包括甲基磺酸、二價錫離子、抗氧化劑和絮凝劑，其餘為水；陰極電解液包括甲基磺酸、二價錫離子、抗氧化劑、絮凝劑、銅離子、分散劑和有機酸，其餘為水；(3) 將待鍍工件放入電解槽的陰極室，在陰陽極上施加不同波形的雙脈衝電流，即可在陰極上獲得可焊性Sn-Cu合金鍍層。
7、 根據權利要求6所述電鍍Sn-Cu合金的方法，其特徵在於，步驟(l)所述的預處理工序包括除油、拋光、活化和預浸。
8、 根據權利要求6所述電鍍Sn-Cu合金的方法，其特徵在於，步驟(2)所述的陽極電解液中所述二價錫離子為甲基磺酸亞錫，其濃度為30 150g/L，所述甲基磺酸的濃度為100 300g/L，所述抗氧化劑為間苯二酚、對苯二酚、鄰苯二酚、抗壞血酸、硫酸肼、苯酚或苯酚磺酸，其濃度為1 25g/L，所述絮凝劑為聚丙烯醯胺、聚丙烯酸、澱粉衍生物或殼聚糖，其濃度為0.1 10g/L。
9、 根據權利要求6所述電鍍Sn-Cu合金的方法，其特徵在於，步驟(2)所述的陰極電解液中所述二價錫離子為甲基磺酸亞錫，其濃度為15 100g/L，所述甲基磺酸的濃度為100 300g/L，所述抗氧化劑為間苯二酚、對苯二酚、鄰苯二酚、抗壞血酸、硫酸肼、苯酚或苯酚磺酸，其濃度為1 25g/L，所述絮凝劑為聚丙烯醯胺、聚丙烯酸、澱粉衍生物或殼聚糖，其濃度為0.1 10g/L，所述銅離子的濃度為0.1 10g/L，所述分散劑為垸基酚聚氧乙烯醚、聚乙烯亞胺、聚氧乙烯和聚氧丙烯共聚物、聚氧乙烯脂肪醇醚或聚乙二醇，其濃度為2 18g/L，所述有機酸為甲基丙烯酸、酒石酸、葡萄糖酸、富馬酸或草酸，其濃度為1 5g/L。
10、 根據權利要求6所述電鍍Sn-Cu合金的方法，其特徵在於，步驟(3)所述的雙脈衝電流的波形為方波，正嚮導通時間0.1 0.5ms,反嚮導通時間0.1 0.2ms，正向關斷時間0.8 1.0ms，反向關斷時間0.9 1.2ms，正向工作時間100ms，反向工作時間10ms，正向佔空比10 30%，反向佔空比10 30%，正向平均電流密度1 2A/dm2，反向電流密度0.1 0.5A/dm2,脈衝頻率500 3000Hz。
全文摘要
本發明公開了一種電鍍Sn-Cu合金的裝置及其方法，該裝置包括電解槽和給電解槽的陰陽極施加電流的雙脈衝電源，所述電解槽包括陽極室和陰極室，陽極室和陰極室的中間由離子選擇性膜隔開，所述陽極室中包括陽極和陽極電解液，所述陰極室中包括陰極和陰極電解液，所述陽極室和陰極室之間設置有通道。本發明提供的利用上述裝置電鍍Sn-Cu合金的方法，包括以下步驟(1)預處理待鍍工件；(2)配製陽極電解液和陰極電解液；(3)將待鍍工件放入電解槽的陰極室，在陰陽極上施加不同波形的雙脈衝電流，即可在陰極上獲得可焊性Sn-Cu合金鍍層。本發明具有良好可焊性，較強的抗須晶生長能力，成本低，工藝穩定，合金比例易控制等特點。
文檔編號C25D17/00GK101476150SQ200810220519
公開日2009年7月8日 申請日期2008年12月29日 優先權日2008年12月29日
發明者王鵬程, 韓文生 申請人:廣州電器科學研究院