在JEITA和歐盟的《限制有毒物質(zhì)指令》(RoHS)與《電氣及電子設(shè)備廢料指令》(WEEE)公布的最后期限之前實(shí)施一種高成本效益、可靠的無鉛電鍍策略，已經(jīng)成為電子組件制造業(yè)在過去幾年來的共同目標(biāo)。

對(duì)于半導(dǎo)體組件供貨商而言，主要的挑戰(zhàn)在于選擇一種成本效益高并且不會(huì)產(chǎn)生可靠性問題的策略和制程，實(shí)施與無鉛焊料的前向兼容以及與含鉛(Pb)焊料的后向兼容。對(duì)現(xiàn)有的無鉛替代方案進(jìn)行審查并權(quán)衡這些選擇之后，擬定可行的策略。

對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行研究，并透過與知名組織(如iNEMI和JEDEC)交流互動(dòng)對(duì)電子產(chǎn)業(yè)進(jìn)行評(píng)估，任何組件制造商均可從眾多無鉛鍍層解決方案中精選出若干方案。安森美半導(dǎo)體首先考慮了五種外部鍍層。每一種解決方案都有優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)。其中包括：
? 錫－銀(Sn-Ag)鍍層
? 錫－鉍(Sn-Bi)鍍層
? 錫－銅(Sn-Cu)鍍層
? 預(yù)鍍鎳－鈀－金(Ni-Pd-Au)導(dǎo)線架
? 純霧錫鍍層

Sn-Ag鍍層的錫含量約為3.5%，具有良好的可焊性和機(jī)械屬性。但是Sn-Ag鍍層容易產(chǎn)生錫胡晶(tin whisker)，這是所有高錫含量替代方案的主要可靠性風(fēng)險(xiǎn)。由于材料成本較高并且鍍?cè)】刂瞥绦驈?fù)雜，Sn-Ag鍍層比較昂貴。從‘總擁有成本’的角度考慮，Sn-Ag鍍層并不能作為一種完全可行的選擇。

自2000年，以Sn-Bi用作鉛鍍層已在日本得以廣泛應(yīng)用，因此人們開始密切關(guān)注這一系統(tǒng)。當(dāng)鉍含量為3%時(shí)，Sn-Bi的熔化溫度約為220℃，選擇該鍍層肯定可行。但是Sn-Bi材料易碎，鍍層控制復(fù)雜，而且它會(huì)產(chǎn)生錫胡晶。關(guān)于鉍的真實(shí)毒性也有疑問，且含鉛焊料后向兼容性問題仍存在爭(zhēng)議。內(nèi)部屏蔽實(shí)驗(yàn)和調(diào)查確認(rèn)了這些Sn-Bi問題的存在，所以這種鍍層只能作為臨時(shí)解決方案。

Sn-Cu鍍層可形成一種銅含量為0.7%的高強(qiáng)度低熔點(diǎn)合金，其熔點(diǎn)為227℃。此鍍層的價(jià)格相對(duì)低廉，且具有良好的可焊性。但是Sn-Cu容易產(chǎn)生錫胡晶，甚至合金成份的微小改變就會(huì)大大改變共晶溫度。由于精確控制鍍層成份困難，且Sn-Cu鉛加工與合金(Alloy) 42導(dǎo)線架不兼容，所以該系統(tǒng)不能作為一種可行的解決方案。

預(yù)鍍的Ni-Pd和Ni-Pd-Au導(dǎo)線架作為無鉛焊接的替代方案，于1989年首先由德州儀器(TI)引進(jìn)。其主要優(yōu)勢(shì)在于該技術(shù)適于商業(yè)應(yīng)用，且封裝制程得以簡(jiǎn)化。但是對(duì)大批量產(chǎn)品應(yīng)用而言，Ni-Pd-Au解決方案不具備優(yōu)勢(shì)，主要原因在于其成本較高，而且根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)記錄，該方案存在可靠性問題。此外，鍍層在彎曲時(shí)會(huì)發(fā)生斷裂，而且在焊接、引線接合和成形時(shí)也存在問題。

鈀和金成本高且難以預(yù)計(jì)，導(dǎo)線架的供貨商數(shù)量也有限，這些都是該方案的劣勢(shì)所在。由于此鍍層系統(tǒng)與Alloy 42導(dǎo)線架不兼容，其應(yīng)用范圍進(jìn)一步受限。因此，對(duì)于大批量生產(chǎn)線而言，這種解決方案不是一種可行的替代方案。

純霧錫(matte tin)是大批量半導(dǎo)體制造商鍍層應(yīng)用的首選。其原因眾多。對(duì)于各種導(dǎo)線架而言，霧錫制程不僅具有良好焊接特性，而且它是一種低成本解決方案，不存在Sn-Ag、Sn-Bi和Sn-Cu系統(tǒng)中的雙合金成份控制問題。

霧錫解決方案得以廣泛應(yīng)用的另一個(gè)關(guān)鍵因素是其供應(yīng)充足，此因素與上述技術(shù)密切相關(guān)。霧錫最重要的一個(gè)優(yōu)勢(shì)可能在于它可與含鉛焊料后向兼容。鑒于世界上許多無鉛政策在執(zhí)行上存在延遲，這種后向兼容仍較為重要。由于安森美半導(dǎo)體在特定應(yīng)用中使用霧錫有悠久歷史，因此霧錫制程解決方案已成為大多數(shù)需要無鉛外部鍍層的公司的首選。
風(fēng)險(xiǎn)考慮

上文討論了鍍層成份的選擇問題，現(xiàn)在我們將重點(diǎn)探討可降低風(fēng)險(xiǎn)的策略，該方案必須可以有效地解決與該鍍層形成錫胡晶相關(guān)的可靠性問題。研究表明，下列四種方案是減少錫胡晶產(chǎn)生的最可行解決方案：
? 對(duì)霧錫鍍層進(jìn)行退火
? 增加霧錫鍍層的厚度
? 在鉛鍍層中加入鎳阻劑
? 對(duì)錫鍍層進(jìn)行重流
就減少胡晶的問題而言，成本效益最高的方案是對(duì)鍍錫層進(jìn)行退火。大量研究表明，在銅基板上對(duì)錫鍍層進(jìn)行退火可以大大減少胡晶的產(chǎn)生。具體操作方法是在溫度為150℃下，對(duì)錫鍍層進(jìn)行一小時(shí)的退火。根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)記載，在鍍層操作完成后24小時(shí)內(nèi)對(duì)錫鍍層進(jìn)行退火較為有效。

從文獻(xiàn)中我們可以清楚了解，盡管錫鍍層的最佳厚度尚不清楚，錫沉積越厚，越不容易產(chǎn)生胡晶。根據(jù)文獻(xiàn)中提供的參考數(shù)據(jù)，安森美半導(dǎo)體方案中的錫鍍層仍將集中介于7.5至12.5微米之間。我們相信，該方案可以在不影響鍍層質(zhì)量的前提下，減少胡晶，提高成本效益。

另一種被廣泛認(rèn)可的減少胡晶方案是在錫鍍層上加入鎳阻劑。然而，在鍍層上加入鎳會(huì)使許多產(chǎn)品的成本增加，在市場(chǎng)上失去價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力。此外，眾所周知，盡管鎳阻劑會(huì)使胡晶增加數(shù)倍，但這很大程度上取決于所使用的錫鍍層浴類型。大家普遍認(rèn)為，鎳之所以可以減少胡晶產(chǎn)生，原因在于它會(huì)對(duì)錫鍍層中的應(yīng)力產(chǎn)生影響。
由于使用鍍鎳減少胡晶的產(chǎn)生取決于所使用的錫鍍層浴，安森美半導(dǎo)體采用的對(duì)策側(cè)重于選擇基于甲基硫酸(MSA)的錫鍍層化學(xué)方法。MSA電鍍化學(xué)方法不僅可以控制錫鍍層中產(chǎn)生的應(yīng)力，而且可以產(chǎn)生一種不易產(chǎn)生胡晶的鍍層。

文獻(xiàn)也討論到，另一種減少胡晶的方案是在錫熔點(diǎn)232℃以上進(jìn)行錫重流，但是這種處理方法的有效性尚不清楚。因此，錫重流不能作為減少胡晶產(chǎn)生的制程。但是，安森美半導(dǎo)體采用的方案包括了采用重流測(cè)試作為確定整體霧錫制程有效性的方法。這種方法在很大程度上重復(fù)了最后的封裝制程。

需要對(duì)所有含大量錫的鍍層進(jìn)行持續(xù)測(cè)試和檢查，以確保胡晶的產(chǎn)生得以控制。用于錫胡晶評(píng)估的測(cè)試條件和檢查程序在過去幾年中發(fā)生了重大變化，可以將其看作是一個(gè)移動(dòng)的目標(biāo)。JEDEC和iNEMI的動(dòng)議已經(jīng)帶動(dòng)了越來越多的標(biāo)準(zhǔn)化工作，以確定進(jìn)行上述評(píng)估所運(yùn)用的方法。安森美半導(dǎo)體將嚴(yán)格遵守JEDEC標(biāo)準(zhǔn)JESD22A121中的建議。該標(biāo)準(zhǔn)不僅要求對(duì)特定的溫度循環(huán)、環(huán)境溫度/濕度儲(chǔ)存和高溫/高濕度存儲(chǔ)進(jìn)行測(cè)試，還規(guī)定了所需的錫胡晶檢查程序。
除了監(jiān)測(cè)當(dāng)前的電鍍化學(xué)方法外，還將在這些新近議定并得以標(biāo)準(zhǔn)化的JEDEC測(cè)試條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以便將樣品組錫胡晶與下列屬性相比較。
1. 霧錫鍍層的厚度范圍為5至15微米
2. 重流與不重流的比較
3. 銅導(dǎo)線架與鍍銅Alloy 42導(dǎo)線架的比較
4. 基于MSA的不同錫鍍層浴化學(xué)方法