为了研究SnPb焊料在Cu上的润湿反应与焊料成分的关系，试验准备了7种SnPb焊料合金，分别是纯Pb、5Sn95Pb、10Sn90Pb、40Sn60Pb、63Sn37Pb、80Sn20Pb以及纯Sn，这7种焊料合金的熔点分别为327℃、305℃、299℃、245℃、183℃、205℃以及232℃[8-9]。
图2.13 在200℃、220℃和240℃下Cu消耗厚度与时间的关系
将直径约为0.5 mm的合金焊料小球放置于面积为1 cm×1 cm、厚度为0.5 mm的Cu箔上，并浸入装有RMA的浅杯中，将其放置在一个加热板上并在高于焊料合金熔化温度10℃的温度下进行润湿。大约1 min后，当球冠状焊料帽在Cu箔表面稳定时，对其进行冷却、清洁，以便测量润湿角。一系列球冠状焊料帽随SnPb成分变化的侧视图如图2.14所示。润湿角随焊料成分变化的曲线如图2.15所示。经典杨氏方程定义润湿角为
式中，γ是界面张力，下标l、v、s分别表示液态焊剂、熔融焊料和母材铜。在满足杨氏方程条件下润湿角界面张力平衡情况如图2.16所示。
图2.14 一系列不同成分的SnPb焊料合金润湿后焊料帽侧视图
（a）Pb；（b）5Sn95Pb；（c）10Sn90Pb；（d）40Sn60Pb；（e）63Sn37Pb；（f）80Sn20Pb；（g）纯Sn
由于在界面处形成金属间化合物，SnPb合金在Cu上润湿是一个反应铺展过程。根据之前的研究，在助焊剂中熔融SnPb合金焊料的界面张力随Sn含量变化关系曲线中显示没有最小值，如图2.17所示。SnPb合金的界面张力在高Pb区域为常数，且随着Sn含量的增加，界面张力增大。如果使用此结果和杨氏方程去计算润湿角，理论上是不存在最小润湿角的，但在图2.15中，存在一个最小润湿角。这个矛盾表明，如果只考虑界面张力的平衡，就不能解释测量得到的SnPb合金润湿角随焊料合金成分变化的关系。
图2.15 SnPb焊料润湿角随Pb含量的变化关系曲线
图2.16 满足杨氏方程润湿平衡条件下润湿角处界面张力的平衡情况
图2.17 助焊剂中熔融SnPb合金焊料的界面张力随Sn含量增加的变化曲线
正如图2.15所示，纯Pb焊料在Cu表面有很大的润湿角，然而在加入少量的Sn后，焊料润湿角急剧减小。另外，由图2.17可知，在纯Pb焊料中添加的少量Sn并不能明显改变焊料的界面张力。少量Sn的加入对减小润湿角具有强烈影响的原因可归结于在Cu表面形成界面金属间化合物的Sn-Cu反应。这一化学反应能够提供改变润湿角的平衡条件的附加驱动力。考虑到反应对润湿过程的影响，Yost和Romig给了一个估算公式[10-11]：
这里的σ相当于形成金属间化合物的驱动力，Γ（θ）是非平衡界面张力的驱动力。另一方面，若仅仅考虑金属间化合物的形成或化学活性，那就很难解释为什么纯Sn比一些SnPb焊料有更大的润湿角，因为相比于其他SnPb焊料，纯Sn应该有更高的化学活性，可形成更厚的金属间化合物。在熔点以上10℃温度下反应1 min后，笋钉状界面金属间化合物的平均厚度随焊料合金成分变化的曲线如图2.18所示。由图2.18可知，纯Sn的金属间化合物平均厚度是SnPb焊料中最大的，但从图2.17中可知，纯Sn的界面张力同样是最大的。综合界面张力和形成金属化合物的影响，就能够解释图2.15中随焊料合金成分变化时出现最小润湿角的现象。
图2.18 在熔点以上10℃温度下反应1 m in后笋钉状界面金属间化合物的平均厚度随焊料合金成分变化的曲线
然而，在没有对润湿驱动力和润湿动力学有全面理解的情况下，很难分析润湿时三相平衡处的铺展机制并确定出润湿角的大小。一个重要的问题是在润湿过程中，即从熔融焊料小球接触Cu表面开始到形成球冠状焊料帽的时间内，到底生成了多少界面金属间化合物。同时，由于润湿过程很短以及熔融焊料在Cu表面的铺展率很高，也很难确定润湿过程中的界面反应。
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2023-06-20
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2023-06-20
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2023-06-20
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2023-06-20
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2023-06-20
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2023-06-20
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2023-06-20
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2023-10-30
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