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可焊性（润湿平衡）测试*条件

摘要

通过全自动可焊性（润湿平衡）测试仪，把铜片浸润在锡锅内进行可焊性（润湿平衡）测试。三种不同厚度的铜片及四种不同锡锅温度，检测它们的润湿曲线。对于标准曲线来说，大部分润湿曲线都有所变形，阻碍重要润湿参数包括润湿率和润湿力的计算。试验表明，铜片越厚，锡锅温度越低，变形程度越严重。形成浸润基板周围锡锅固化。

关键词：

润湿平衡

铺展

可焊性（润湿平衡）

1.介绍

元件优良质量与加工过程中固 - 液相互作用分不开。液体铺展在固体表面，zui终润湿固体。Pask曾就界面如何反应及铺展在固体陶瓷基板上的液态金属如何影响焊点质量问题做过陈述。Dauzat等人也曾指出, 生产镀锌钢过程中，钢材及熔融锌之间的反应可以通过控制脱氧钢基板的润湿性得到优化。Solomon等人曾发明一种特殊的润湿天平来研究1225℃高温钎焊中镍合金的润湿性。Lee等人也曾使用可焊性测试仪（润湿天平）研究焊接

过程中润湿性。Wassink强调，良好的可焊性意味着良好的润湿性，提出了润湿特性分类. Manko认为焊料和基底金属之间接触取决于润湿性。

Kumar和Prabhu评估了润湿性几个方面，并用一些技术方法进行测量，如润湿平衡测试（可焊性测试）。可焊性测试仪（润湿天平）是一种精密的测力仪器，用来测量固体表面上的润湿力。首先把固体表面浸润在液槽中，然后取出。传感器就会给出一个力随时间变化的曲线，称为润湿曲线（可焊性曲线）。

利用润湿平衡（可焊性）测试，Takemoto 和 Miyazaki分析了Sn-Ag及Sn-Zn无铅焊料合金的润湿性，并测量一些润湿参数，如润湿时间和润湿力。

他们在不同温度下进行测试，并得到相应的润湿时间，从润湿时间中计算润湿过程的表观活化能，并得出结论：在某些情况下，样品周围焊料固化和重熔顺序控制着铺展动力学。然而他们没能提供更多关于这种循环现象的润湿曲线或细节。Sattiraju等人利用润湿平衡（可焊性）测试研究许多无铅焊料合金的润湿性能：Sn-3.4％，Ag-4.8％Bi，Sn-4.0％Ag-0.5％Cu，SN-3.5％Ag，Sn-0.7％Cu，从中总结了润湿力及润湿时间。Cheng 和 Lin从润湿平衡曲线中得出：Sn-8.55％，Zn–1%Ag焊料合金的润湿性可通过添加铝得到增强。这些研究人员都利用润湿平衡测试，研究焊接工艺中合金系统的铺展和润湿现象动力学。

图1 - 测量力（F），接触角及润
湿平衡测试中固 - 液表面张力，
固 - 气（SV）接触面

为了弄清温度对焊接工艺的影响，ten Duis进行了一系列润湿平衡测试。将厚度为0.02和0.3mm的铜片浸入在不同温度的Sn-40％（重量）Pb锡锅中。增加铜片厚度，润湿一致性会降低，降低锡锅温度，润湿率会下降。笔者认为后者现象是几个因素造成的：助焊剂效率降低，液体粘度减少，锡与固体开始接触的固化比例减少。然而，没有证据支持他的猜测。

zui近，Chang和Wang等人在对无数基板和焊料合金做了润湿平衡（可焊性）测试后发现，随着温度上升，润湿时间会减少。同样，他们也没有就温度对润湿性性能的影响做出调查和讨论。

在提出一些定量的润湿参数后，Jellison等人研究了不同铜基板和电解质对润湿曲线的影响。通过比较测得的润湿曲线和标准曲线得出，与厚膜金属化基板相比，平滑基板变形不太明显。此外，从润湿曲线看出，较早达到zui大润湿力（FW）的是平滑基板。由于锡锅与不同基板间传热率不同, 板子变形程度及到达zui大润湿力时间也不同。

当前工作主要目的是研究基板厚度和锡锅温度对润湿（可焊性）曲线形状及其参数的影响。为了获得润湿曲线，对浸润在锡锅的铜片进行润湿平衡（可焊性）测试。zui后将给出不会导致润湿曲线变形的测试条件。

2.润湿平衡曲线

润湿平衡（可焊性）曲线显示的是润湿天平压力传感器所测得元件（F）的垂直分力。测压元件在固体样品（基板）上，润湿平衡测得的力F与浮力及润湿角力有关。因此Earle，ten Duis 及 Jellison 等人推导出如下等式：

其中lv表示液 - 气表面张力; ᶿ是瞬时接触角，如图1所示。P是围绕固体样品的液体周长; v是浸润样品体积，是液体密度，g是重力加速度。Orr等人解释为：*个等式右边两个量分别代表润湿角力和浮力。

目前定义标准润湿曲线为无变形曲线。从无变形曲线可以得出润湿参数。图2所示的是标准润湿曲线上的重要点和一些相关润湿参数：

图2 - 标准润湿曲线示意图。（A）         图3 - 助焊剂样品瞬时与初始质量比（质量分数）                                                                              
浸入;（B）90°接触角（C）zui大润
湿力; t90达到90°接触角时间; Fw：

zui大润湿力; tw：达到zui大润湿力
时间; Rw1：润湿率

•  A点表示电解质和基板*次接触

•  B点表示接触角ᶿ= 90°时，t90是瞬时时间;

•  Fb是浸入样品的浮力;

•  C点表示液体铺展结束及达到相对Fbzui大的力Fw

•  tw表示达到zui终润湿力Fw的时间

•  RW1是润湿率

参数t90，tw，Rw1都与液体铺展动力学有关，其中Fw主要与固体润湿性有关，且不受铺展过程动力学影响。Chang等人揭示tw和Fw都是焊料和基板及二者接触面作用的强烈体现。

3 实验程序

在四种不同温度的锡锅中，进行一系列铜片润湿平衡（可焊性）测试，温度分别240◦C，250◦C，260◦C和280◦C，3种不同厚度的铜片：0.5，1.0和1.5mm。每种实验条件重复三次以验证测试重现性，并提高测量的润湿参数的准确性。

元件基材由铜组成，锡锅由锡组成。在进行每项测试前铜片要经过一系列预处理阶段：（1）在去离子水溶液和清洁剂中进行超声波清洗;（2）在酒精中进行超声波清洗；（3）在硝酸溶液中清洗，（4）用清水漂洗；（5）在空气中干燥。zui后，在马上开始平衡测试前，将松香活性助焊剂（ACTIEC2）涂覆在铜片表面。

为了研究助焊剂对润湿曲线的影响，在热重量平衡（TG）中测试助焊剂样品，并同时使用差热分析（DTA）。在测试过程中，样品以恒定0.17◦C / s的速率从20℃加热到400℃ 如图3所示。

每项润湿平衡（可焊性）测试由全自动可焊性测试仪（润湿天平）（METRONELEC ST88）完成，包含如下步骤：（1）薄片基板预处理，并放置到锡锅上方的力传感器上；（2）测量基板浸入锡锅中大致位置处的温度，锡面刮去氧化物，去除浮渣，大约30秒；（3）锡锅以25mm/s靠近基板的速度抬起，直到10mm基板被浸没（4）基板与锡面接触后，力传感器在30s内（这段时间称为浸入时间）记录润湿力；（5）标绘力随时间变化的曲线，即润湿曲线。表1所示：润湿平衡（可焊性）测试操作条件。每项测试及过程更多信息可找到出处。

4. 结果与讨论

当前测得的润湿曲线如图4-6所示。从这些曲线中计算出润湿参数代表液体铺展及固体润湿动力学。然而，在某些情况下，如果观察到的曲线变形，润湿参数就不能代表所需信息。除了图4（d）所示的润湿曲线，图4所有其它曲线由于增大润湿力，而使曲线停滞阶段过长或过短。当液体铺

展，即达到zui大停滞力（Fw）前，曲线通常会出现停滞阶段且较标准曲线有所变形。如图2所示。稍后将讨论，这些停滞阶段虽不与界面现象直接相关，但会强烈影响曲线的润湿参数 。因此，应该消除停滞阶段。

某些曲线可以通过增加焊料温度，减少基板厚度可消除曲线停滞阶段并缩短润湿时间。 Chang和Wang等人也观察到浸入在熔融锡中的基板随温度升高，润湿时间减少。实验使用厚度为0.5mm的基板，锡锅温度从240℃增加到280◦C，消除所有停滞阶段，如图4（a-d）所示。然而使用1.0mm的基材，增加相同温度，并没有*消除停滞阶段。如图5（a）及（b）所示。同时观察到一些湿润阻滞，如图5（b）所示。


图5 - 重复三次润湿平衡（可焊性）测试得到的润湿曲线（力vs时间）。铜片厚度为1.0mm，
电解质有两种温度：（a）240◦C，（b）280◦C。
 

图6 - 润湿平衡测试铜片厚度为1.5mm，锡锅温度为240◦C：（a）润湿曲线（力vs时间）;
（b）润湿阻滞期间，将铜片从电解质中拿出，铜片上凝固的壳。

Shawki及Hanna，Wassink都认为液体铺展开始时润湿阻滞与基板浸入锡锅后, 其温度达达到锡锅温度所用时间有关。如Wassink所示, 温度降低引起松香焊剂溶剂蒸发和焊剂激活时间增加, 这表明温度之所以对曲线造成影响, 可能是由于温度对助焊剂产生间接影响造成的。

观察当前曲线，试图评估助焊剂溶剂蒸发对润湿阻滞的影响。图3所示的助焊剂样品重量变化表明：在大约120◦C时，溶剂开始蒸发。。该温度可有差热分析曲线证实。差热分析曲线显示了相同温度下的吸热反应。如果润湿阻滞与溶剂蒸发时间有关，那么润湿阻滞就与吸热过程中吸收的热通量成反比。假定热通量与溶剂和锡锅温度间的差异成正比。当锡锅为240℃时，此差异是120◦C（240-120◦C），当锡锅为280◦C时，此差异160◦C（280-120◦C）。因此，锡锅温度从240℃增加到280◦C，会导致热通量增加33％，相当于减少33％的蒸发时间。


图7 – 不同厚度基板在垂直方向上的（a）时间t90及（b）液 - 气表面张力以时间函数
表示，误差为5％。

润湿阻滞期间，由于拿出锡锅中的铜片，致使润湿平衡测试中断。为了加强润湿阻滞效果，采用1.5mm基板和温度为240◦C。由此产生的润湿曲线如图6（a）所示。样品检查完毕后，很明显看出锡锅凝固现象发生在基板周围，如图6（b）所示。进行同样的操作，基板极其相应的润湿曲线如图4（d）所示。在液体铺展前（由润湿曲线显示, 大概在润湿力zui小时），基板从锡锅中拿出，没有发生润湿阻滞。这种情况下，未观察到基板周围凝固现象。因此润湿阻滞是由铜板周围锡锅凝固造成的。虽然Budrys ，Brick及 ten Duis也提出过这些原理来解释润湿阻滞，但都没有提供实验证据来证明。

润湿曲线上的润湿阻滞（长时间停滞）和短时间停滞由铜片周围焊料壳固化造成。固体基板从周围液体吸收热量，造成焊料壳固化。焊料壳zui终重新融化。由于液体铺展在固体基板上并与干净冰冷的表面接触，从而产生一系列固化和重熔阶段，造成短时间停滞。

停滞由固化和重熔循环造成，直接影响铺展动力学，t90所测如图7（a）所示。液体铺展时间降低，因此t90也因基板厚度降低或锡锅温度增加而降低。随着锡锅温度升高，与t90相应的所有厚度基板都在大约3秒时出现同样的值，这说明固化和重熔对铺展动力学影响并不大。此外，较高温度下，基板厚度在铺展过程中也不再重要都能产生相同的t90。

液 - 气表面张力在垂直方向的分力为L1v cosᶿ，见方程式 （2）。方程式（2）由润湿曲线计算得来，如图7（b）所示。温度和基板厚度对L1v cosᶿ的影响似乎不大，且没有观察到明显影响。总之，铺展在过程中固化和重熔似乎不仅影响铺展动力学，也影响测量润湿参数的准确，即使此时整个系统已达到平衡。

目前工作中，厚度为0.5mm基板，锡锅温度为280◦C，表示温度过热，已超过纯锡熔点48℃，可产生无变形的润湿曲线。28◦C（即锡锅温度为260◦C）时，由于温度不够高，所以不能避免由于固化和重熔造成润湿曲线变形。Chang等人为采用8和18◦C过热温度，将铜板浸入在锡锅或纯锡中，但却没给出润湿曲线。Wang等人将纯铜基板浸入到Sn0.7（%wt）Cu的锡锅中，润湿曲线没有在40℃过热环境中变形。这些专家没有提出30℃过热温度的润湿曲线。

5. 结论

在某些测试条件下，通过润湿平衡（可焊性）测试得到的润湿曲线可能较预计的标准曲线有一些变形。基板较厚，锡锅温度较低，可能会造成润湿曲线长时间或短时间停滞，从而阻滞润湿时间。这些影响是由于基板周围固体壳固化和重熔造成的，似乎与助焊剂溶剂蒸发无关。随着温度升高，影响逐渐消失，铺展动力学不受基板厚度制约。

如果不受焊料固化和重熔影响，即润湿曲线未变形，代表液体铺展和固体润湿的准确参数只能从润湿曲线得出。因此，先前的实验旨在为不同厚度的基板找到合适的锡锅温度。厚度为0.5mm基板，超过锡熔点48℃的过热温度，可产生无变形的润湿曲线。而过热温度小于等于28◦C，则不能避免由于固化和重熔造成润湿曲线变形。