纯锡镀层变色原因分析及改善措施报告.ppt

純錫鍍層變色改善報告 部門 表面處理部報告人 尚荣 報告大綱 背景描述原因分析改善對策標準作業 1 背景描述 1 1為符合RoHS環保規範 無鉛制程替代有鉛制程為業界發展趨勢 1 2對連接器端子電鍍來說純錫制程為目前最佳也最經濟的替代方案 1 3但變更後 客戶制程溫度將提高至240 甚至260 隨之而來的問題就是純錫在高溫時發生變色問題 黃色或紫色 1 4雖然目前並未有因變色而導致產品功能性異常的問題發生 但為確保產品品質 消除客戶疑慮 找出變色真因及改善方法實為當前重要課題 業界對變色的機制說法眾出紛紜 本報告旨在找出變色主因並確認改善方向 2 原因分析 Auger分析 ObtainedfromPBL PTRD substrate stainlesssteel Augerdepthprofile ObtainedfromRohm Haas 對變色樣品進行不同深度的元素分析得知鍍層元素含有C O Sn 或Ni 當底材為不鏽鋼時 C來源為鍍層共沈積的有機添加劑 O為氧化反應而來 Ni為底材擴散而來 因此推測造成變色的可能原因為 有機物析出表面氧化底層金屬擴散 形成Sn Ni合金 Surface C O Sn Depth 11 O Sn Ni Depth 22 O Sn Ni 2 原因分析 高溫變色 表面氧化 底層金屬擴散 有機物析出 2 原因分析 有機物析出 推論機制 變色錫層表面元素分析結果發現表層含碳量較高 為錫層高溫熔化時 有機物自金屬晶界中釋放而浮出至表面 故碳元素多在鍍層表面 有機物析出為主因的矛盾點 若變色物質為有機物 則應可溶於有機溶劑 但實際使用醇類 正溴丙烷及DMSO皆無法洗去變色物質 僅可被稀硫酸洗去 稀硫酸不溶純錫 不鍍鎳及磷鎳樣品或在氮氣下reflow皆不變色 若為有機物析出則不應如此 因為錫層仍會熔化 於200 長時間烘烤外觀仍會變為藍紫色 但此時錫層未熔化 沒有有機物析出的問題 下圖為對不同變色程度樣品Auger分析的結果 不同變色程度 碳含量分布並無太大變化 顯示碳含量對變色影響不大 C含量分布相近 輕微變色 嚴重變色 ObtainedfromRohm Haas 2 原因分析 高溫變色 表面氧化 底層金屬擴散 2 原因分析 底層金屬擴散 反應機制 不同金屬之交界面常因擴散而生成界面合金 Intermetallics IMC 界面合金的生長速度與溫度 金屬特性及晶粒大小有關 銅錫合金成長速度相當快 而鎳與錫合金則較慢 IMC生長最終可至錫層耗盡 底層金屬擴散為主因的矛盾點 在固定鎳及錫電鍍條件且使用相同IRprofile時 生成鎳錫合金的速度及厚度應不會有太大差異 故鍍薄錫應該因錫鎳合金較易顯露至表面而變色 鍍厚錫則較不會變色 但實際結果卻相反 薄錫 50minch輕微變色 厚錫 500minch變色嚴重 由於銅擴散速度較鎳快 故不鍍鎳應易生成較厚IMC致嚴重變色 此外鎳錫合金生長不受鎳膜厚影響 故增加鎳膜厚理應不會影響變色 但實際結果卻相反 不鍍鎳不變色 薄鎳 20m 變色較輕微 厚鎳 200m 變色嚴重 合金生成理應不受外層環境影響 故在氮氣下或使用後保護劑仍該因有合金生長而變色 但與實驗結果相反 若僅為合金則為何可被稀硫酸洗去 卻無法為濃硝酸蝕去 若底材為不鏽鋼則已被證實底層鎳擴散有很大的影響 byPBL PTRD 而本實驗底材為銅 以上分析可得底層金屬擴散生成合金並非銅材鍍錫變色主因 2 原因分析 高溫變色 表面氧化 2 原因分析 表面氧化 反應機制 純錫易生成氧化錫 SnO SnO2 隨著溫度及時間增加 氧化膜持續增厚 外觀顏色加深 氧化速率與溫度 氧濃度及錫晶粒大小 晶粒愈細反應愈快 有關 故在高溫熔融時氧化速率更是常溫的數倍 表面氧化證據 在氮氣下氧的濃度極低 有效阻止氧化反應發生 故不變色 氧化錫易溶於硫酸 SnO solid 6H 3SO42 SnSO4 aqueous 3H2O 2SO2 gas 因此變色表面可以稀硫酸洗掉 使用後處理劑 磷酸鹽膜 或稀酸可在表面形成酸性保護膜 阻止氧與錫接觸 不同變色樣品分析可得兩者氧化程度不同 見下圖 嚴重變色的氧化膜厚度較厚且相同厚度下 200 氧化程度較多 氧化程度 氧化錫厚度 造成顏色差異的原理 200 O 25 200 O 3 嚴重變色 輕微變色 Othickness 1200 Othickness 600 2 原因分析 reflow過程機制 2 原因分析 高溫變色 表面氧化 2020 3 16 13 可编辑 2 原因分析 表面氧化 錫膜厚影響 在IRreflow過程中最高氧化速率發生在錫熔融時 故若錫在其熔融態的時間愈長氧化 變色 愈嚴重 進一步可推論再結晶速率愈快氧化 變色 愈輕微 因此我們可以解釋 錫膜厚愈厚則表層錫處在熔融態的時間較薄錫長 故氧化嚴重 IMC影響 此外 IMC可提供誘發晶核生長的成核點 凹陷處 故IMC粗糙度將影響再結晶的速率 如下圖所示 粗糙的IMC可加快再結晶速度 因此我們可以解釋 銅或磷鎳生成粗糙IMC 可有效引發錫晶核形成及熔融錫再結晶 因此減少錫在熔融態時間 故氧化輕微 MP200鎳生成平滑IMC 故氧化嚴重 最後由不變色樣品 不鍍鎳或鍍磷鎳 IRreflow後霧錫變亮 亮錫變暗 霧 可知錫層高溫熔融後將再結晶成與原來晶粒大小不同的晶體 錫晶核 晶種 2 原因分析 高溫變色 表面氧化 3 改善對策 最佳錫層結構 加大錫晶粒且錫晶體排列緊密可有效減緩氧化反應的速率 如下圖 加快再結晶速率 使用可生成粗糙IMC的底鍍層 如磷鎳 有效加快再結晶速率 降低氧化程度 使用後保護劑 後保護劑可在表面形成酸性保護膜 加強表層抗氧化效果 Reflow環境 Reflow全程使用氮氣可防止氧化發生 依現有條件 第1項需更改藥水系統 目前業界並無此較優系統 第3項後保護劑在三次reflow後仍會變色 第2項為較易突破項 第2項可行性評估 經對多家供應商提供鎳磷系統鍍鎳液做評估發現具相同缺點 A 電鍍效率低 約為現使用系統65 B 鍍層柔韌性不夠 secondforming存在鍍層撕裂現象 C 鍍層內應力較大 存在生長錫須風險 D 鍍浴易老化 電鍍成本上升 以上缺點經改進仍無法克服 鎳磷系統之使用並不可行 目標 協助藥水供應商共同開發可替代鎳磷鍍層之普通鎳鍍層 3 改善對策 對策提出 目標實現 於鍍鎳液中加入一種添加劑TS 此添加劑可使Ni鍍層結晶粗化並排列緊密 從而有效防止變色現象的發生 3 改善對策 對策評估驗証 3 1依供應商提供工藝參數做相關驗証結果 3 1 2不足點 3 1 2 1TS添加劑使鎳鍍浴變得不穩定 3 1 2 2TS添加劑使鎳鍍浴壽命降低 易老化 3 1 1驗証結果 TS添加劑可有效防止錫鍍層在高溫下變色 3 改善對策 對策精進及評估驗証 3 2 1TS添加劑建浴量及添加量變化 建浴量由30 50ml l減小至8 12ml l 消耗量由1200ml KA H減至200ml KA H 3 2 2鎳鍍層規格變化 由含TS成份之鎳鍍層改善為普通鎳鍍層 TS成份之鎳鍍層 3 2對策精進及驗証 3 2 2變化後驗証結果 可有效防止純錫鍍層端子件高溫下變色 3 改善對策 對策精進及評估驗証 3 2 3其它相關驗証及其結果 3 2 3 1防變色驗証結果 可有效防止錫銅鍍層端子件高溫下變色 可有效防止純錫鍍層shell件高溫下變色 3 2 3 2柔韌性測試 obtainedfromTechnicInc 3 2 3 3應