实现高成本效益的无铅组件电镀

在JEITA和欧盟的《限制有毒物质指令》(RoHS)与《电气及电子设备废料指令》(WEEE)公布的最后期限之前实施一种高成本效益、可靠的无铅电镀策略，已经成为电子组件制造业在过去几年来的共同目标。

对于半导体组件供货商而言，主要的挑战在于选择一种成本效益高并且不会产生可靠性问题的策略和制程，实施与无铅焊料的前向兼容以及与含铅(Pb)焊料的后向兼容。对现有的无铅替代方案进行审查并权衡这些选择之后，拟定可行的策略。

对现有文献进行研究，并透过与知名组织(如iNEMI和JEDEC)交流互动对电子产业进行评估，任何组件制造商均可从众多无铅镀层解决方案中精选出若干方案。安森美半导体首先考虑了五种外部镀层。每一种解决方案都有优势和劣势。其中包括：
• 锡－银(Sn-Ag)镀层
• 锡－铋(Sn-Bi)镀层
• 锡－铜(Sn-Cu)镀层
• 预镀镍－钯－金(Ni-Pd-Au)导线架
• 纯雾锡镀层

Sn-Ag镀层的锡含量约为3.5%，具有良好的可焊性和机械属性。但是Sn-Ag镀层容易产生锡胡晶(tin whisker)，这是所有高锡含量替代方案的主要可靠性风险。由于材料成本较高并且镀浴控制程序复杂，Sn-Ag镀层比较昂贵。从‘总拥有成本’的角度考虑，Sn-Ag镀层并不能作为一种完全可行的选择。

自2000年，以Sn-Bi用作铅镀层已在日本得以广泛应用，因此人们开始密切关注这一系统。当铋含量为3%时，Sn-Bi的熔化温度约为220℃，选择该镀层肯定可行。但是Sn-Bi材料易碎，镀层控制复杂，而且它会产生锡胡晶。关于铋的真实毒性也有疑问，且含铅焊料后向兼容性问题仍存在争议。内部屏蔽实验和调查确认了这些Sn-Bi问题的存在，所以这种镀层只能作为临时解决方案。

Sn-Cu镀层可形成一种铜含量为0.7%的高强度低熔点合金，其熔点为227℃。此镀层的价格相对低廉，且具有良好的可焊性。但是Sn-Cu容易产生锡胡晶，甚至合金成份的微小改变就会大大改变共晶温度。由于精确控制镀层成份困难，且Sn-Cu铅加工与合金(Alloy) 42导线架不兼容，所以该系统不能作为一种可行的解决方案。

预镀的Ni-Pd和Ni-Pd-Au导线架作为无铅焊接的替代方案，于1989年首先由德州仪器(TI)引进。其主要优势在于该技术适于商业应用，且封装制程得以简化。但是对大批量产品应用而言，Ni-Pd-Au解决方案不具备优势，主要原因在于其成本较高，而且根据现有文献记录，该方案存在可靠性问题。此外，镀层在弯曲时会发生断裂，而且在焊接、引线接合和成形时也存在问题。

钯和金成本高且难以预计，导线架的供货商数量也有限，这些都是该方案的劣势所在。由于此镀层系统与Alloy 42导线架不兼容，其应用范围进一步受限。因此，对于大批量生产线而言，这种解决方案不是一种可行的替代方案。

纯雾锡(matte tin)是大批量半导体制造商镀层应用的首选。其原因众多。对于各种导线架而言，雾锡制程不仅具有良好焊接特性，而且它是一种低成本解决方案，不存在Sn-Ag、Sn-Bi和Sn-Cu系统中的双合金成份控制问题。

雾锡解决方案得以广泛应用的另一个关键因素是其供应充足，此因素与上述技术密切相关。雾锡最重要的一个优势可能在于它可与含铅焊料后向兼容。鉴于世界上许多无铅政策在执行上存在延迟，这种后向兼容仍较为重要。由于安森美半导体在特定应用中使用雾锡有悠久历史，因此雾锡制程解决方案已成为大多数需要无铅外部镀层的公司的首选。
风险考虑

上文讨论了镀层成份的选择问题，现在我们将重点探讨可降低风险的策略，该方案必须可以有效地解决与该镀层形成锡胡晶相关的可靠性问题。研究表明，下列四种方案是减少锡胡晶产生的最可行解决方案：
• 对雾锡镀层进行退火
• 增加雾锡镀层的厚度
• 在铅镀层中加入镍阻剂
• 对锡镀层进行重流
就减少胡晶的问题而言，成本效益最高的方案是对镀锡层进行退火。大量研究表明，在铜基板上对锡镀层进行退火可以大大减少胡晶的产生。具体操作方法是在温度为150℃下，对锡镀层进行一小时的退火。根据现有文献记载，在镀层操作完成后24小时内对锡镀层进行退火较为有效。

从文献中我们可以清楚了解，尽管锡镀层的最佳厚度尚不清楚，锡沉积越厚，越不容易产生胡晶。根据文献中提供的参考数据，安森美半导体方案中的锡镀层仍将集中介于7.5至12.5微米之间。我们相信，该方案可以在不影响镀层质量的前提下，减少胡晶，提高成本效益。

另一种被广泛认可的减少胡晶方案是在锡镀层上加入镍阻剂。然而，在镀层上加入镍会使许多产品的成本增加，在市场上失去价格竞争力。此外，众所周知，尽管镍阻剂会使胡晶增加数倍，但这很大程度上取决于所使用的锡镀层浴类型。大家普遍认为，镍之所以可以减少胡晶产生，原因在于它会对锡镀层中的应力产生影响。
由于使用镀镍减少胡晶的产生取决于所使用的锡镀层浴，安森美半导体采用的对策侧重于选择基于甲基硫酸(MSA)的锡镀层化学方法。MSA电镀化学方法不仅可以控制锡镀层中产生的应力，而且可以产生一种不易产生胡晶的镀层。

文献也讨论到，另一种减少胡晶的方案是在锡熔点232℃以上进行锡重流，但是这种处理方法的有效性尚不清楚。因此，锡重流不能作为减少胡晶产生的制程。但是，安森美半导体采用的方案包括了采用重流测试作为确定整体雾锡制程有效性的方法。这种方法在很大程度上重复了最后的封装制程。

需要对所有含大量锡的镀层进行持续测试和检查，以确保胡晶的产生得以控制。用于锡胡晶评估的测试条件和检查程序在过去几年中发生了重大变化，可以将其看作是一个移动的目标。JEDEC和iNEMI的动议已经带动了越来越多的标准化工作，以确定进行上述评估所运用的方法。安森美半导体将严格遵守JEDEC标准JESD22A121中的建议。该标准不仅要求对特定的温度循环、环境温度/湿度储存和高温/高湿度存储进行测试，还规定了所需的锡胡晶检查程序。
除了监测当前的电镀化学方法外，还将在这些新近议定并得以标准化的JEDEC测试条件下进行实验，以便将样品组锡胡晶与下列属性相比较。
1. 雾锡镀层的厚度范围为5至15微米
2. 重流与不重流的比较
3. 铜导线架与镀铜Alloy 42导线架的比较
4. 基于MSA的不同锡镀层浴化学方法