可焊性（潤濕平衡）測試*條件

摘要

通過全自動(dòng)可焊性（潤濕平衡）測試儀，把銅片浸潤在錫鍋內(nèi)進(jìn)行可焊性（潤濕平衡）測試。三種不同厚度的銅片及四種不同錫鍋溫度，檢測它們的潤濕曲線。對于標(biāo)準(zhǔn)曲線來說，大部分潤濕曲線都有所變形，阻礙重要潤濕參數(shù)包括潤濕率和潤濕力的計(jì)算。試驗(yàn)表明，銅片越厚，錫鍋溫度越低，變形程度越嚴(yán)重。形成浸潤基板周圍錫鍋固化。

關(guān)鍵詞：

潤濕平衡

鋪展

可焊性（潤濕平衡）

1.介紹

元件優(yōu)良質(zhì)量與加工過程中固 - 液相互作用分不開。液體鋪展在固體表面，zui終潤濕固體。Pask曾就界面如何反應(yīng)及鋪展在固體陶瓷基板上的液態(tài)金屬如何影響焊點(diǎn)質(zhì)量問題做過陳述。Dauzat等人也曾指出, 生產(chǎn)鍍鋅鋼過程中，鋼材及熔融鋅之間的反應(yīng)可以通過控制脫氧鋼基板的潤濕性得到優(yōu)化。Solomon等人曾發(fā)明一種特殊的潤濕天平來研究1225℃高溫釬焊中鎳合金的潤濕性。Lee等人也曾使用可焊性測試儀（潤濕天平）研究焊接

過程中潤濕性。Wassink強(qiáng)調(diào)，良好的可焊性意味著良好的潤濕性，提出了潤濕特性分類. Manko認(rèn)為焊料和基底金屬之間接觸取決于潤濕性。

Kumar和Prabhu評估了潤濕性幾個(gè)方面，并用一些技術(shù)方法進(jìn)行測量，如潤濕平衡測試（可焊性測試）?？?/span>焊性測試儀（潤濕天平）是一種精密的測力儀器，用來測量固體表面上的潤濕力。首先把固體表面浸潤在液槽中，然后取出。傳感器就會給出一個(gè)力隨時(shí)間變化的曲線，稱為潤濕曲線（可焊性曲線）。

利用潤濕平衡（可焊性）測試，Takemoto 和 Miyazaki分析了Sn-Ag及Sn-Zn無鉛焊料合金的潤濕性，并測量一些潤濕參數(shù)，如潤濕時(shí)間和潤濕力。

他們在不同溫度下進(jìn)行測試，并得到相應(yīng)的潤濕時(shí)間，從潤濕時(shí)間中計(jì)算潤濕過程的表觀活化能，并得出結(jié)論：在某些情況下，樣品周圍焊料固化和重熔順序控制著鋪展動(dòng)力學(xué)。然而他們沒能提供更多關(guān)于這種循環(huán)現(xiàn)象的潤濕曲線或細(xì)節(jié)。Sattiraju等人利用潤濕平衡（可焊性）測試研究許多無鉛焊料合金的潤濕性能：Sn-3.4％，Ag-4.8％Bi，Sn-4.0％Ag-0.5％Cu，SN-3.5％Ag，Sn-0.7％Cu，從中總結(jié)了潤濕力及潤濕時(shí)間。Cheng 和 Lin從潤濕平衡曲線中得出：Sn-8.55％，Zn–1%Ag焊料合金的潤濕性可通過添加鋁得到增強(qiáng)。這些研究人員都利用潤濕平衡測試，研究焊接工藝中合金系統(tǒng)的鋪展和潤濕現(xiàn)象動(dòng)力學(xué)。

圖1 - 測量力（F），接觸角及潤
濕平衡測試中固 - 液表面張力，
固 - 氣（SV）接觸面

為了弄清溫度對焊接工藝的影響，ten Duis進(jìn)行了一系列潤濕平衡測試。將厚度為0.02和0.3mm的銅片浸入在不同溫度的Sn-40％（重量）Pb錫鍋中。增加銅片厚度，潤濕一致性會降低，降低錫鍋溫度，潤濕率會下降。筆者認(rèn)為后者現(xiàn)象是幾個(gè)因素造成的：助焊劑效率降低，液體粘度減少，錫與固體開始接觸的固化比例減少。然而，沒有證據(jù)支持他的猜測。

zui近，Chang和Wang等人在對無數(shù)基板和焊料合金做了潤濕平衡（可焊性）測試后發(fā)現(xiàn)，隨著溫度上升，潤濕時(shí)間會減少。同樣，他們也沒有就溫度對潤濕性性能的影響做出調(diào)查和討論。

在提出一些定量的潤濕參數(shù)后，Jellison等人研究了不同銅基板和電解質(zhì)對潤濕曲線的影響。通過比較測得的潤濕曲線和標(biāo)準(zhǔn)曲線得出，與厚膜金屬化基板相比，平滑基板變形不太明顯。此外，從潤濕曲線看出，較早達(dá)到zui大潤濕力（FW）的是平滑基板。由于錫鍋與不同基板間傳熱率不同, 板子變形程度及到達(dá)zui大潤濕力時(shí)間也不同。

當(dāng)前工作主要目的是研究基板厚度和錫鍋溫度對潤濕（可焊性）曲線形狀及其參數(shù)的影響。為了獲得潤濕曲線，對浸潤在錫鍋的銅片進(jìn)行潤濕平衡（可焊性）測試。zui后將給出不會導(dǎo)致潤濕曲線變形的測試條件。

2.潤濕平衡曲線

潤濕平衡（可焊性）曲線顯示的是潤濕天平壓力傳感器所測得元件（F）的垂直分力。測壓元件在固體樣品（基板）上，潤濕平衡測得的力F與浮力及潤濕角力有關(guān)。因此Earle，ten Duis 及 Jellison 等人推導(dǎo)出如下等式：

其中l(wèi)v表示液 - 氣表面張力; ?是瞬時(shí)接觸角，如圖1所示。P是圍繞固體樣品的液體周長; v是浸潤樣品體積，是液體密度，g是重力加速度。Orr等人解釋為：*個(gè)等式右邊兩個(gè)量分別代表潤濕角力和浮力。

目前定義標(biāo)準(zhǔn)潤濕曲線為無變形曲線。從無變形曲線可以得出潤濕參數(shù)。圖2所示的是標(biāo)準(zhǔn)潤濕曲線上的重要點(diǎn)和一些相關(guān)潤濕參數(shù)：

圖2 - 標(biāo)準(zhǔn)潤濕曲線示意圖。（A）         圖3 - 助焊劑樣品瞬時(shí)與初始質(zhì)量比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）                                                                              
浸入;（B）90°接觸角（C）zui大潤
濕力; t90達(dá)到90°接觸角時(shí)間; Fw：

zui大潤濕力; tw：達(dá)到zui大潤濕力
時(shí)間; Rw1：潤濕率

•  A點(diǎn)表示電解質(zhì)和基板*次接觸

•  B點(diǎn)表示接觸角?= 90°時(shí)，t90是瞬時(shí)時(shí)間;

•  Fb是浸入樣品的浮力;

•  C點(diǎn)表示液體鋪展結(jié)束及達(dá)到相對Fbzui大的力Fw

•  tw表示達(dá)到zui終潤濕力Fw的時(shí)間

•  RW1是潤濕率

參數(shù)t90，tw，Rw1都與液體鋪展動(dòng)力學(xué)有關(guān)，其中Fw主要與固體潤濕性有關(guān)，且不受鋪展過程動(dòng)力學(xué)影響。Chang等人揭示tw和Fw都是焊料和基板及二者接觸面作用的強(qiáng)烈體現(xiàn)。

3 實(shí)驗(yàn)程序

在四種不同溫度的錫鍋中，進(jìn)行一系列銅片潤濕平衡（可焊性）測試，溫度分別240?C，250?C，260?C和280?C，3種不同厚度的銅片：0.5，1.0和1.5mm。每種實(shí)驗(yàn)條件重復(fù)三次以驗(yàn)證測試重現(xiàn)性，并提高測量的潤濕參數(shù)的準(zhǔn)確性。

元件基材由銅組成，錫鍋由錫組成。在進(jìn)行每項(xiàng)測試前銅片要經(jīng)過一系列預(yù)處理階段：（1）在去離子水溶液和清潔劑中進(jìn)行超聲波清洗;（2）在酒精中進(jìn)行超聲波清洗；（3）在硝酸溶液中清洗，（4）用清水漂洗；（5）在空氣中干燥。zui后，在馬上開始平衡測試前，將松香活性助焊劑（ACTIEC2）涂覆在銅片表面。

為了研究助焊劑對潤濕曲線的影響，在熱重量平衡（TG）中測試助焊劑樣品，并同時(shí)使用差熱分析（DTA）。在測試過程中，樣品以恒定0.17?C / s的速率從20℃加熱到400℃ 如圖3所示。

每項(xiàng)潤濕平衡（可焊性）測試由全自動(dòng)可焊性測試儀（潤濕天平）（METRONELEC ST88）完成，包含如下步驟：（1）薄片基板預(yù)處理，并放置到錫鍋上方的力傳感器上；（2）測量基板浸入錫鍋中大致位置處的溫度，錫面刮去氧化物，去除浮渣，大約30秒；（3）錫鍋以25mm/s靠近基板的速度抬起，直到10mm基板被浸沒（4）基板與錫面接觸后，力傳感器在30s內(nèi)（這段時(shí)間稱為浸入時(shí)間）記錄潤濕力；（5）標(biāo)繪力隨時(shí)間變化的曲線，即潤濕曲線。表1所示：潤濕平衡（可焊性）測試操作條件。每項(xiàng)測試及過程更多信息可找到出處。

4. 結(jié)果與討論

當(dāng)前測得的潤濕曲線如圖4-6所示。從這些曲線中計(jì)算出潤濕參數(shù)代表液體鋪展及固體潤濕動(dòng)力學(xué)。然而，在某些情況下，如果觀察到的曲線變形，潤濕參數(shù)就不能代表所需信息。除了圖4（d）所示的潤濕曲線，圖4所有其它曲線由于增大潤濕力，而使曲線停滯階段過長或過短。當(dāng)液體鋪

展，即達(dá)到zui大停滯力（Fw）前，曲線通常會出現(xiàn)停滯階段且較標(biāo)準(zhǔn)曲線有所變形。如圖2所示。稍后將討論，這些停滯階段雖不與界面現(xiàn)象直接相關(guān)，但會強(qiáng)烈影響曲線的潤濕參數(shù) 。因此，應(yīng)該消除停滯階段。

某些曲線可以通過增加焊料溫度，減少基板厚度可消除曲線停滯階段并縮短潤濕時(shí)間。 Chang和Wang等人也觀察到浸入在熔融錫中的基板隨溫度升高，潤濕時(shí)間減少。實(shí)驗(yàn)使用厚度為0.5mm的基板，錫鍋溫度從240℃增加到280?C，消除所有停滯階段，如圖4（a-d）所示。然而使用1.0mm的基材，增加相同溫度，并沒有*消除停滯階段。如圖5（a）及（b）所示。同時(shí)觀察到一些濕潤阻滯，如圖5（b）所示。


圖5 - 重復(fù)三次潤濕平衡（可焊性）測試得到的潤濕曲線（力vs時(shí)間）。銅片厚度為1.0mm，
電解質(zhì)有兩種溫度：（a）240?C，（b）280?C。
 

圖6 - 潤濕平衡測試銅片厚度為1.5mm，錫鍋溫度為240?C：（a）潤濕曲線（力vs時(shí)間）;
（b）潤濕阻滯期間，將銅片從電解質(zhì)中拿出，銅片上凝固的殼。

Shawki及Hanna，Wassink都認(rèn)為液體鋪展開始時(shí)潤濕阻滯與基板浸入錫鍋后, 其溫度達(dá)達(dá)到錫鍋溫度所用時(shí)間有關(guān)。如Wassink所示, 溫度降低引起松香焊劑溶劑蒸發(fā)和焊劑激活時(shí)間增加, 這表明溫度之所以對曲線造成影響, 可能是由于溫度對助焊劑產(chǎn)生間接影響造成的。

觀察當(dāng)前曲線，試圖評估助焊劑溶劑蒸發(fā)對潤濕阻滯的影響。圖3所示的助焊劑樣品重量變化表明：在大約120?C時(shí)，溶劑開始蒸發(fā)。。該溫度可有差熱分析曲線證實(shí)。差熱分析曲線顯示了相同溫度下的吸熱反應(yīng)。如果潤濕阻滯與溶劑蒸發(fā)時(shí)間有關(guān)，那么潤濕阻滯就與吸熱過程中吸收的熱通量成反比。假定熱通量與溶劑和錫鍋溫度間的差異成正比。當(dāng)錫鍋為240℃時(shí)，此差異是120?C（240-120?C），當(dāng)錫鍋為280?C時(shí)，此差異160?C（280-120?C）。因此，錫鍋溫度從240℃增加到280?C，會導(dǎo)致熱通量增加33％，相當(dāng)于減少33％的蒸發(fā)時(shí)間。


圖7 – 不同厚度基板在垂直方向上的（a）時(shí)間t90及（b）液 - 氣表面張力以時(shí)間函數(shù)
表示，誤差為5％。

潤濕阻滯期間，由于拿出錫鍋中的銅片，致使?jié)櫇衿胶?/span>測試中斷。為了加強(qiáng)潤濕阻滯效果，采用1.5mm基板和溫度為240?C。由此產(chǎn)生的潤濕曲線如圖6（a）所示。樣品檢查完畢后，很明顯看出錫鍋凝固現(xiàn)象發(fā)生在基板周圍，如圖6（b）所示。進(jìn)行同樣的操作，基板極其相應(yīng)的潤濕曲線如圖4（d）所示。在液體鋪展前（由潤濕曲線顯示, 大概在潤濕力zui小時(shí)），基板從錫鍋中拿出，沒有發(fā)生潤濕阻滯。這種情況下，未觀察到基板周圍凝固現(xiàn)象。因此潤濕阻滯是由銅板周圍錫鍋凝固造成的。雖然Budrys ，Brick及 ten Duis也提出過這些原理來解釋潤濕阻滯，但都沒有提供實(shí)驗(yàn)證據(jù)來證明。

潤濕曲線上的潤濕阻滯（長時(shí)間停滯）和短時(shí)間停滯由銅片周圍焊料殼固化造成。固體基板從周圍液體吸收熱量，造成焊料殼固化。焊料殼zui終重新融化。由于液體鋪展在固體基板上并與干凈冰冷的表面接觸，從而產(chǎn)生一系列固化和重熔階段，造成短時(shí)間停滯。

停滯由固化和重熔循環(huán)造成，直接影響鋪展動(dòng)力學(xué)，t90所測如圖7（a）所示。液體鋪展時(shí)間降低，因此t90也因基板厚度降低或錫鍋溫度增加而降低。隨著錫鍋溫度升高，與t90相應(yīng)的所有厚度基板都在大約3秒時(shí)出現(xiàn)同樣的值，這說明固化和重熔對鋪展動(dòng)力學(xué)影響并不大。此外，較高溫度下，基板厚度在鋪展過程中也不再重要都能產(chǎn)生相同的t90。

液 - 氣表面張力在垂直方向的分力為L1v cos?，見方程式 （2）。方程式（2）由潤濕曲線計(jì)算得來，如圖7（b）所示。溫度和基板厚度對L1v cos?的影響似乎不大，且沒有觀察到明顯影響。總之，鋪展在過程中固化和重熔似乎不僅影響鋪展動(dòng)力學(xué)，也影響測量潤濕參數(shù)的準(zhǔn)確，即使此時(shí)整個(gè)系統(tǒng)已達(dá)到平衡。

目前工作中，厚度為0.5mm基板，錫鍋溫度為280?C，表示溫度過熱，已超過純錫熔點(diǎn)48℃，可產(chǎn)生無變形的潤濕曲線。28?C（即錫鍋溫度為260?C）時(shí)，由于溫度不夠高，所以不能避免由于固化和重熔造成潤濕曲線變形。Chang等人為采用8和18?C過熱溫度，將銅板浸入在錫鍋或純錫中，但卻沒給出潤濕曲線。Wang等人將純銅基板浸入到Sn0.7（%wt）Cu的錫鍋中，潤濕曲線沒有在40℃過熱環(huán)境中變形。這些專家沒有提出30℃過熱溫度的潤濕曲線。

5. 結(jié)論

在某些測試條件下，通過潤濕平衡（可焊性）測試得到的潤濕曲線可能較預(yù)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)曲線有一些變形?；遢^厚，錫鍋溫度較低，可能會造成潤濕曲線長時(shí)間或短時(shí)間停滯，從而阻滯潤濕時(shí)間。這些影響是由于基板周圍固體殼固化和重熔造成的，似乎與助焊劑溶劑蒸發(fā)無關(guān)。隨著溫度升高，影響逐漸消失，鋪展動(dòng)力學(xué)不受基板厚度制約。

如果不受焊料固化和重熔影響，即潤濕曲線未變形，代表液體鋪展和固體潤濕的準(zhǔn)確參數(shù)只能從潤濕曲線得出。因此，先前的實(shí)驗(yàn)旨在為不同厚度的基板找到合適的錫鍋溫度。厚度為0.5mm基板，超過錫熔點(diǎn)48℃的過熱溫度，可產(chǎn)生無變形的潤濕曲線。而過熱溫度小于等于28?C，則不能避免由于固化和重熔造成潤濕曲線變形。