提高润湿性对圆角尺寸的影响及钎料润湿研究

图2.4系统描述了随着钎焊温度的升高，使用钎剂进行软钎焊和硬钎焊时经历的重要过程。首先是预热，随着钎焊温度的升高出现钎剂的活化；随后进行的是钎料和母材表面氧化膜的去除，这个过程对于钎料熔化后提高钎料的润湿能力具有重要作用，因此，氧化膜的去除是提高润湿性的关键。钎料润湿后，熔融钎料与固态母材首先发生冶金反应，反应初期是母材向熔融钎料溶解；最后形成反应层，在这个过程中，金属间化合物的形成主要取决于钎料和母材的结合。

图2.4 软钎焊和硬钎焊过程中温度曲线及相应现象

关于润湿的传统解释如图2.5所示，杨氏方程描述了图中能量的平衡：

γ_sf=γ_lfcosθ+γ_ls

式中，γ_sf是钎剂和固态母材间的界面张力；γ_lf是熔融钎料和钎剂间的界面张力；γ_ls是熔融钎料和固态母材间的界面张力；θ是接触角。

图2.5 钎料在母材上的润湿，接触角θ是评价润湿性的指标

润湿角越小，润湿效果就越好，因此，为了减小润湿角，需要有效地降低γ_lf的大小，而润湿时使用活性钎剂对减小γ_lf的大小非常有用。同时，γ_ls的降低也有利于提高润湿性。为了观察润湿角，最简便的方法是采用固定数量的软钎料和钎剂进行传统的铺展测试。

在硬钎焊与软钎焊中，另一个重要因素是圆角的形成。圆角的尺寸能够影响接头的质量，尤其是力学性能以及接头对热、力和化学环境的抗力等。圆角的尺寸主要由表面张力、钎料的密度及重力加速度决定，计算公式为，其中，γ是表面张力；ρ是密度；g是重力加速度。为了获得大圆角及良好的润湿效果，降低钎料密度、增加表面张力是行之有效的措施。

圆角的最大高度可以采用垂直平板的无限长度（Klein Wassink，1984）进行计算。图2.6为在几种熔化钎料中浸入一块垂直无限长平板，当润湿良好，接触角θ_i=0°时的熔融钎料形状（Miyazaki，1997），计算中用到的参数如表2.4所示。(www.xing528.com)

表2.4 硬钎料和Sn-40Pb钎料的物理性能

从图中可以清晰地看到，铝圆料的圆角尺寸是最大的，然而，在相同的润湿条件下软钎料获得的圆角尺寸是最小的。当然，图2.6所示计算结果只要在假设完全润湿的理想状态下得到的。事实上，润湿性对圆角的尺寸有重要影响，即当润湿变差，圆角的尺寸也降低。图2.7（Miyazaki，1997）显示出由于润湿性的降低，导致圆角尺寸的减小，其与润湿角的提高相符合。为了提高润湿性，有效的办法是降低γ_ls，而活性钎剂的使用通常能降低γ_ls。

在微连接中，待钎焊工件的尺寸小，且通常具有一凸起的平面。由于在上述工件的微连接过程中圆角尺寸降低，因此不易在凸起的平面上形成圆角。图2.8为垂直圆棒的半径对三种钎料理论圆角高度的影响（Miyazaki，1997）。从图中可知，垂直圆棒半径的减小降低了圆角的高度。图2.8也说明具有凸起平面的工件尺寸越小，获得较大圆角的可能性越小，这也是微连接遇到的难点之一。

图2.6 各填充金属和Sn-Pb钎料在无限长垂直平板上最佳润湿时的凹凸侧面轮廓

图2.7 铝钎料在半径1mm竖直圆棒上几种润湿条件下的凹凸侧面轮廓

图2.8 垂直圆棒半径对三种钎料理论圆角高度的影响