专利名称:一种制备无铅Sn-Cu合金焊料的双脉冲电镀液及电镀工艺的制作方法
技术领域:
本发明涉及合金焊料制备技术领域,具体是一种制备无铅Sn-Cu合金焊料的双脉 冲电镀液及电镀工艺。
背景技术:
长期以来,Sn-37Pb(质量分数)合金焊料以其低成本、低共晶温度(183°C )、良好 的电学、机械及化学性质在电子工业中得到广泛的应用。然而随着人们环保意识的增强,同 时最近有研究表明,由于种种原因被排放到大气或地下水中的铅离子一旦进入人体,则有 可能导致幼儿智力障碍、生殖器官障碍、癌症、高血压等疾病。我国现已经成为世界第三大 电子产品生产国,每年有大量的铅随着家用电器、儿童玩具等进入人们的日常生活,对人们 当前的健康及其潜在的威胁日益严重。目前,我国电子产品的生产及出口正日益受到焊料 无铅化技术瓶颈的制约,如2007年下半年,北美对中国出口的玩具因铅含量超标的大规模 召回。为保证我国电子行业的健康发展及出口的优势地位,开发无铅焊料技术迫在眉睫。在 众多的无铅Sn基焊料中,Sn-O. 7Cu(质量分数)合金焊料因价格低廉,无毒副作用,易回收 和杂质敏感度低等优点,被誉为最有前途的无铅焊料之一。 随着电子技术的迅猛发展,尤其是芯片和超大规模集成电路的突破,使得连接对 象已经由微细特征向显微特征转化,即焊点由毫米尺寸向微米尺寸发展。例如,目前键合金 丝的直径已小于18 ii m,其引线键合尺寸也在微米尺寸范围。这就会对焊点的制备提出了更 高的要求。 然而目前要想在半导体晶片或者金属基体上沉积Sn基无铅焊料,不是通过涂覆 焊膏就是采用溅射、蒸发等真空沉积技术。焊膏连接价格低,且易操作,然而焊料的定位和 厚度的控制得不到保证,并且焊料容易被氧化而不利于基体结合。真空沉积技术可较好地 进行过程控制且可减少氧化物的产生,但这种技术相当昂贵且耗时,故这两种技术均不适 合较大规模制备Sn基无铅焊料。 传统电镀技术(直流电镀、直流周期换向电镀)虽在一定程度上克服了上述方法 (涂覆焊膏或者是真空沉积技术)带来的缺点,但是电镀层的均匀性、沉积速率不够理想, 而且内应力和孔隙率较大。同时目前我国电镀行业所采用的电镀溶液大多含有有毒成分 (如镀金溶液中的氰化物)、电解液中加入了多种添加剂,溶液成分复杂,且电镀溶液的稳 定性较差,造成焊料制备成本高,电镀废液处理不当也会对环境造成有害的影响。
发明内容
本发明提供了一种制备无铅Sn-Cu合金焊料的双脉冲电镀液及电镀工艺,合理选 择电镀溶液配方及脉冲电沉积工艺参数来制备Sn-Cu合金焊料的方法,提高了电镀速率, 且制备的Sn-Cu合金焊料粗糙度低、厚度均匀、表面平整,孔隙少、结构致密、电镀层中的应 力小。 本发明的技术方案为
—种制备无铅Sn-Cu合金焊料的双脉冲电镀液,其特征在于所述的电镀液为水 溶液,其中化学成分为柠檬酸三铵0. 4-0. 5mol/L、二水合氯化亚锡0. 2-0. 25mol/L、二水 合氯化铜0. 025-0. 035mol/L,拧檬酸三铵、二水合氯化亚锡、二水合氯化铜均采用分析纯配 制。 —种制备无铅Sn-Cu合金焊料的双脉冲电镀工艺,其特征在于将金属化Si晶 片置于电镀液中通入双脉冲电流进行正/反向双脉冲电镀,所述的电镀液为水溶液,其中 化学成分为柠檬酸三铵0. 4-0. 5mol/L、二水合氯化亚锡0. 2-0. 25mol/L、 二水合氯化铜 0. 025-0. 035mol/L,拧檬酸三铵、二水合氯化亚锡、二水合氯化铜均采用分析纯配制;所述 的双脉冲电镀工艺参数为频率为80-120Hz,双脉冲的占空比为18-22%,正/反向脉冲时 间为900-1100/90-110ms,电流密度9-llmA/cm2。 所述的制备无铅Sn-Cu合金焊料的双脉冲电镀工艺,其特征在于所述的金属 化Si晶片是指在Si晶片上溅射一层23-27nm的钨化钛,在钨化钛层上再真空溅射一层 240-260nm的籽金层,电镀是在籽金层上进行电镀;所述的正/反向双脉冲电镀的电镀温度 为室温,镀层的厚度可由电镀时间决定。 所述的制备无铅Sn-Cu合金焊料的双脉冲电镀工艺,其特征在于所述的电镀 液的化学成分为柠檬酸三铵0. 45mol/L、二水合氯化亚锡0. 22mol/L、 二水合氯化铜 0. 03mol/L,均为分析纯;所述的正/反向双脉冲电镀工艺的参数为频率为100Hz,双脉冲 的占空比为20%,正/反向脉冲时间为1000/100ms,电流密度10mA/cm2。
所述的制备无铅Sn-Cu合金焊料的双脉冲电镀工艺,其特征在于所述的电镀完 成后,将两片电镀后的金属化Si晶片的镀层面对面叠在一起,在管式炉中于112气氛保护下 施加外压,在220-24(TC下进行倒装焊接。
本发明的优点为 1、本发明所述的电镀溶液可以较长时间存放,溶液的组成简单,不含任何添加剂 及其他有毒化学品,并且可有效提高电镀速率; 2.本发明通过优化了的双脉冲电沉积工艺参数制备的Sn-Cu合金焊料具有的特 征有合金焊料与基体(金属化Si晶片)结合紧密,镀层中的晶粒尺寸小(cK4ym),粗糙 度低、厚度均匀、表面平整,孔隙少、结构致密、电镀层中的应力小。
本发明制备的Sn-Cu合金焊料的表层图。
具体实施例方式
—种制备无铅Sn-Cu合金焊料的双脉冲电镀工艺,金属化Si晶片为阴极,作为合 金焊料的沉积基体,而阳极则采用Pt片。将上述阴、阳极片经蒸馏水、酒精清洗和丙酮除油 后置于电镀液中通入正/反向双脉冲电流进行双脉冲电镀,电镀液为水溶液,其中的化学 成分为柠檬酸三铵0. 45mol/L、二水合氯化亚锡0. 22mol/L、二水合氯化铜0. 03mol/L,各 组分采用分析纯加水配制; 双脉冲电镀实质是脉冲换向电镀。在这里作为沉积Sn-Cu合金焊料的电沉 积方法,其工艺参数为频率为10 0 H z ,双脉冲的占空比为2 0 % ,正/反向脉冲时间为
41000/100ms,电流密度10mA/cm、双脉冲电镀的电镀温度为室温,电镀层的厚度由电镀时间 决定。 电镀完成后,将两片电镀后的金属化Si晶片的镀层面对面叠在一起,在管式炉中 于H2气氛保护下施加适宜的外压,在220-24(TC下进行倒装焊接。 金属化Si晶片是指在Si晶片上溅射一层23-27nm的钨化钛,在钨化钛层上再真 空溅射一层240-260nm的籽金层,电镀是在籽金层上进行电镀。 电镀样品形貌电沉积层与基体(金属化Si晶片)结合紧密,镀层中的晶粒尺寸 小(d < 4ym)且表面平整,孔隙少、结构致密、电镀层中的应力小,且镀层表面无Sn晶须;
电镀沉积速率为27. 0 ii m/h ; 倒装焊接后组织结构焊料层在两片金属化Si晶片间均匀分布,并与金属化Si晶
片结合良好,焊料层结构较为致密,焊料层中各种金属间化合物分布均匀。 焊料后的硬度测试显微硬度为Hv20. 6,与纯Sn的硬度(Hvl4. 2)较为接近,属于
Sn基软焊料类型。
权利要求
一种制备无铅Sn-Cu合金焊料的双脉冲电镀液,其特征在于所述的电镀液为水溶液,其中化学成分为柠檬酸三铵0.4-0.5mol/L、二水合氯化亚锡0.2-0.25mol/L、二水合氯化铜0.025-0.035mol/L,柠檬酸三铵、二水合氯化亚锡、二水合氯化铜均采用分析纯配制。
2. —种制备无铅Sn-Cu合金焊料的双脉冲电镀工艺,其特征在于将金属化Si晶片 置于电镀液中通入双脉冲电流进行正/反向双脉冲电镀,所述的电镀液为水溶液,其中 化学成分为柠檬酸三铵0. 4-0. 5mol/L、二水合氯化亚锡0. 2-0. 25mol/L、二水合氯化铜 0. 025-0. 035mol/L,拧檬酸三铵、二水合氯化亚锡、二水合氯化铜均采用分析纯配制;所述 的双脉冲电镀工艺参数为频率为80-120Hz,双脉冲的占空比为18-22%,正/反向脉冲时 间为900-1100/90-110ms,电流密度9-llmA/cm2。
3. 根据权利要求2所述的制备无铅Sn-Cu合金焊料的双脉冲电镀工艺,其特征在于 所述的金属化Si晶片是指在Si晶片上溅射一层23-27nm的钨化钛,在钨化钛层上再真空 溅射一层240-260nm的籽金层,电镀是在籽金层上进行电镀;所述的正/反向双脉冲电镀的 电镀温度为室温,镀层的厚度可由电镀时间决定。
4. 根据权利要求2所述的制备无铅Sn-Cu合金焊料的双脉冲电镀工艺,其特征在于 所述的电镀液的化学成分为柠檬酸三铵0. 45mol/L、二水合氯化亚锡0. 22mol/L、二水合 氯化铜0. 03mol/L,均为分析纯;所述的正/反向双脉冲电镀工艺的参数为频率为100Hz, 双脉冲的占空比为20%,正/反向脉冲时间为1000/100ms,电流密度10mA/cm2。
5. 根据权利要求2所述的制备无铅Sn-Cu合金焊料的双脉冲电镀工艺,其特征在于 所述的电镀完成后,将两片电镀后的金属化Si晶片的镀层面对面叠在一起,在管式炉中于 H2气氛保护下施加外压,在220-24(TC下进行倒装焊接。
全文摘要
本发明公开了一种制备无铅Sn-Cu合金焊料的双脉冲电镀液及电镀工艺,是将金属化Si晶片放置于电镀液中通入双脉冲电流进行双脉冲电镀,所述的电镀液的化学成分为柠檬酸三铵0.4-0.5mol/L、二水合氯化亚锡0.2-0.25mol/L、二水合氯化铜0.025-0.035mol/L,均为分析纯配制;所述的双脉冲电镀的参数为频率为80-120Hz,双脉冲的占空比为18-22%,正/反向脉冲时间为900-1100/90-110ms,电流密度9-11mA/cm2。本发明合理选择电镀溶液配方及脉冲电沉积工艺参数来制备Sn-Cu合金焊料的方法,提高了电镀速率,且制备的制备的Sn-Cu合金焊料粗糙度低、厚度均匀、表面平整,孔隙少、结构致密、电镀层中的应力小。
文档编号C25D3/58GK101748453SQ20091025170
公开日2010年6月23日 申请日期2009年12月31日 优先权日2009年12月31日
发明者汤文明, 黄书斌 申请人:合肥工业大学