化学镀锡的工艺及沉积机理初探

　　陈家伟张晓龙李浩南
　　摘要：本文从理论上系统地分析了酸性氯化物化学镀锡的沉积机理，同时阐述了还原剂法化学镀锡和岐化反应法化学镀锡过程的基本原理。
　　关键词：化学镀锡；沉积机理；工艺
　　一、镀锡
　　锡是一种银白色的金属，无毒，具有良好的焊接性和延展性。广泛地应用于电子、食品、汽车等工业。镀锡是在工件表面均匀的涂上一层可焊性良好并具有一定耐蚀能力的涂层，电子元件、印制线路板中广泛应用。
　　二、化学镀锡工艺
　　化学镀锡工艺以镀液的PH值分类，分为酸性镀液工艺和碱性镀锡工艺两大类。
　　（一）酸性镀液工艺
　　酸性镀锡的优点是镀速快。镀层光亮细致，深镀能力好。镀液对杂质容忍力强，室温操作节省能源。缺点是镀液的分散能力较差，镀层孔隙率较高。
　　酸性镀锡中因导电介质不同又分为硫酸盐镀锡、氟硼酸盐镀锡、氯化物镀锡等工艺。硫酸镀锡成本低，镀液易于控制，镀层光亮细致，但分散能力较差。市场应用最为广泛。氟硼酸盐镀锡的优点是镀速快，可使用较大电流，镀液稳定性好。广泛用于线材、带材的连续性电镀。缺点是镀液成本高，毒性大，废水处理困难。氯化物镀锡主要在晶纹镀锡，优点是成本较低，镀液稳定，镀层洁白。缺点是电流开不大。
　　（二）碱性镀锡工艺
　　碱性镀锡的优点是：成分简单，镀液分散能力好，镀层细致，孔隙少，钎焊性能好。缺点是：操作温度高，能耗大，电流使用范围窄，电流效率低，不能获得光亮镀层，镀层硬镀小，阳极行为影响大。
　　碱性镀锡因所用络合剂不同又分为锡酸盐镀锡和焦磷酸盐镀锡两种。锡酸盐镀锡成分简单，主盐采用锡酸钠，也有使用锡酸钾的。后者的溶解度较大，可以使用较大的电流密度，生产效率高，但成本较高。络合剂采用氢氧化钠（或氢氧化钾）。这种工艺所获得的镀层是洁白不光亮的。市场上慢慢地被酸性光亮镀锡所取代。焦磷酸盐镀锡因成本高使用上受到限制。但它的PH值呈弱碱性，适合在铝合金件和锌合金件上电镀。
　　三、化学镀锡的沉积机理
　　化学镀锡是在酸性环境下，溶液中的亚锡离子在还原剂的作用下在催化活性表面上的沉积过程，是无电解反应。一般的化学镀方法专指用还原剂施镀，不包括浸镀和接触镀。通过相关文献，一般认为化学镀锡工艺经历三个历程：1。置换阶段；2。金属间化合物形成阶段；3。自催化沉积阶段；化学反应初级阶段金属的沉积期为锡与铜的置换反应期。但这个置换反应过程：Sn2CuSnCu2
　　由于其铜的电位E0（Cu2Cu）0。34V比锡E0（Sn2Sn）0。14V正，根据热力学原理分析，从铜上直接置换出镀液中的锡是根本不可能的。要实现此过程必须加入相应的铜离子络合剂或电位调整剂，与铜离子形成稳定的络合物后使铜的电位大幅度负移。选用特定的络合剂后，使铜、锡的电位发生了变化，镀液中络合剂的浓度达到一定值时，铜的电位开始低于锡的电位，使初期的铜锡置换反应得以发生：
　　Cu2络合剂〔Cu（配位体）〕2
　　Sn2CuSnCu2〔配位体〕
　　由于置换反应式与基体表面发生的，因而反应生成的镀层厚度很薄，并且当提提表面完全生产一层锡之后，该反应就会立即停止。与此同时，在置换锡层表面，溶液中的还原剂与锡离子配位体在固液相界面会发生一些列的氧化一还原反应，使锡的连续自催化沉积得以顺利进行。随着反应的继续，镀层的厚度不断增加，体系中的铜锡合金相相应的逐渐减小，得到连续的锡沉积层，直到反应中活性物质完全消耗，反应才会终止。
　　四、化学镀锡存在的问题及解决方法
　　尽管化学镀锡优异的性能使其在印刷线路板等领域具有很好的应用前景。但是对化学镀锡工艺的研究刚刚开始，其发展水平总体还处于基础研究阶段，还存在一些问题，例如，化学镀锡沉积速率慢。镀层里较薄，目前人不能满足人们对其钎焊性能或耐腐蚀性能要求；而且锡层表面存在发灰，发黑等现象，使其应用受到限制，因此，体高镀锡层厚度，并使镀层表面光洁平整，对于扩展化学镀锡的应用领域有着重要的理论和实际价值。
　　五、化学镀锡添加剂理论
　　化学镀锡是通过体系镀液中的还原剂提供电子，从而使被镀金属离子还原为金属的过程。由于还原剂与金属离子同时存在于溶液中，如果没有一定的控制，该氧化一还原体系反应发生迅速，且得到的镀层呈现粉末状的沉积物，不具备镀层的利用价值，因此化学镀锡液需要一些特定的添加剂等来控制沉积速度和改变镀层质量。
　　化学镀锡中所用的添加剂也含有电镀锡添加剂的三种必要成分，包括稳定剂、分散剂、促进剂和光亮剂等。研究表明自催化反应速率如果较快时，形成的晶核质量就差，相应的镀层就会出现粗糙或粉末镀层，加入了对应的稳定剂之后，一方面可以抑制镀液的自分解作用；另一方面还可以控制反应的进行速率，有利于到优良镀层。常用的稳定剂有：一些含硫的无机物或有机物，如硫代硫酸盐、硫脉及其衍生物；重金属离子；不饱和脂肪酸如马来酸、烷基磺酸盐等；酚类。稳定剂吸附在电极表面从而阻滞金属离子的还原过程，来得到致密的结晶镀层。相应的，有时候镀液的反应速度很慢，这时候就需要在体系中加入一定量的促进剂来提高镀速，以减少满足镀层厚度要求所需的时间。如常用的氨基乙酸，除了能起到络合剂的作用，还能加速镀液反应，短链的饱和脂肪酸液也有促进剂的作用。
　　锡合金镀层是可焊性良好并具有一定耐腐蚀性的镀层，易可焊，化学稳定性极高，抗氧化能力强，镀层按用途可分为功能性。装饰性及，防护性三类锡基合金镀层，在电子，国防，机械，食品工业等领域应用广泛。