金屬可焊性試驗(yàn)方法及測量原理

一、可焊性的定義

在IPC標(biāo)準(zhǔn)中，可焊性定義為“金屬被釬料潤濕的能力”。而潤濕作用的廣義定義應(yīng)為：在基材上形成一層相對均勻、平滑、無裂縫黏附著的釬料薄膜。

二、可焊性和可靠性評價(jià)

可焊性的內(nèi)涵包含下述3個(gè)方面的約定：① 熔化釬料對基體金屬的潤濕性；② 釬料和基體金屬的接合性；③ 接合部的可靠性。上述3個(gè)約定中，①是表述可焊性的一項(xiàng)最重要的內(nèi)容。一般來說潤濕性好接合性也好，然而潤濕性好不一定就說明焊接部的可靠性就高。例如，以Sn基釬料焊接Au系基體金屬就是一個(gè)典型例子。由此可以定義：容易潤濕母材，而且還能獲得機(jī)械強(qiáng)度好的接合部，這時(shí)的釬料或母材才是可焊性好的釬料或可焊性好的母材。可焊性和焊接接合部的可靠性之間有著密切的關(guān)系，在通常情況下可焊性好的其焊接接合部的可靠性也高，因而焊接接合部的可靠性可由母材的可焊性的定量測定來評價(jià)。然而高可靠性的接頭是由可焊性好的母材、釬料、助焊劑及焊接工藝參數(shù)等綜合要素來獲得的。正是由于可焊性受母材、釬料、助焊劑、焊接條件（溫度、時(shí)間）等參數(shù)的綜合影響，因而只有對這些影響參數(shù)一一做出定量評估，才有可能對整體的可靠性做出客觀的評價(jià)。

三、焊接過程中與可焊性相關(guān)的物理參數(shù)

可焊性可通過與焊接工藝相互關(guān)聯(lián)的若干物理參數(shù)來評定。這些性能通常包括潤濕角、漫流面積、漫流速度、毛細(xì)擴(kuò)散、潤濕時(shí)間、焊后的表面光整度等?？珊感詼y試的目的是：從產(chǎn)品質(zhì)量管理角度出發(fā)，建立起對電子元器件供應(yīng)商確保產(chǎn)品質(zhì)量的一種手段和責(zé)任，以大幅度消除焊接缺陷，降低產(chǎn)品的返修率，提高生產(chǎn)效率，降低制造成本。

四、可焊性試驗(yàn)

可焊性試驗(yàn)有多種方法和方案，綜合起來如圖1所示。

圖1 可焊性試驗(yàn)方法

1）擴(kuò)展試驗(yàn)法擴(kuò)展試驗(yàn)法是通過熔融釬料在母材上的擴(kuò)展性能來評價(jià)的一種方法，它是通過對擴(kuò)展面積、擴(kuò)展率和接觸角等參數(shù)的測定來描述的。（1）擴(kuò)展面積（JIS-Z-3197）。它是在規(guī)定的釬料量和特定的工藝條件下，通過測定該定量釬料在母材上的擴(kuò)展面積的大小來評定的，擴(kuò)展的面積越大可焊性越好。本法簡單，不需要特別的試驗(yàn)裝置，而且只需定量的釬料就能進(jìn)行可焊性的定性評估。它也能用于助焊劑的性能試驗(yàn)。（2）擴(kuò)展率（ASTM-B-545）。擴(kuò)展率法是通過一定量的釬料球在母材上的擴(kuò)展率來評價(jià)的。

擴(kuò)展率的定義為擴(kuò)展率（%）=［（D-H）/D］×100式中 H——擴(kuò)展后釬料中心高度（mm）；D——試驗(yàn)用釬料球的直徑（或計(jì)算直徑，mm）與擴(kuò)展面積法相比，擴(kuò)展率法具有定量的特點(diǎn)。但在釬料擴(kuò)展不均勻的情況下，H的測定較困難。ASTM規(guī)定的試驗(yàn)溫度為250℃。（3）接觸角（θ）。釬料潤濕接觸角（θ）的測定是沿?cái)U(kuò)展試驗(yàn)樣品的中心，沿?cái)U(kuò)展面的垂直方向進(jìn)行切片，再采用顯微鏡攝影來直接測定。也可利用釬料的擴(kuò)展情況，用圖3所示的球的一部分來簡化模擬，并按下式來間接求得。

圖3 接觸角（θ）

接觸角（θ）=2tan-1（h/x）式中 h——擴(kuò)展釬料的高度；x——擴(kuò)展釬料（圓形）的半徑。測試的接觸角（θ）越小，表明釬料的擴(kuò)展性越好，即可焊性越好。2）界面張力測定法（1）測量裝置。界面張力測定法也稱潤濕測力法，它是基于對母材和釬料之間相互作用的界面張力來測定可焊性的，目前應(yīng)用最廣的界面張力測定法是彎月面平衡法。它是定量并能直接記錄釬料潤濕過程的唯一方法，而且還能被應(yīng)用于對可焊性試驗(yàn)過程中的種種潤濕現(xiàn)象進(jìn)行解析。這種測定裝置的外觀如圖4所示。

圖4 界面張力測定裝置

（2）測試原理。將試驗(yàn)樣品浸漬在熔融釬料槽中時(shí)，由于浮力作用以及在試驗(yàn)樣品、釬料和助焊劑界面上的各種表面張力的作用，試驗(yàn)樣品受到一個(gè)合力。如果記錄到這些力的合力的變化，就能夠反映出彎月面的特征，因而能夠反映出接觸角的特征，從而也就能夠反映出可焊性的優(yōu)劣。由于彎月面平衡法能夠定量地測定這些力隨時(shí)間的變化關(guān)系，因而也就可以間接地獲得接觸角θ隨時(shí)間的變化關(guān)系，從而將和焊接過程相關(guān)聯(lián)的現(xiàn)象定量地描述出來。該測量裝置的結(jié)構(gòu)組成如圖5所示。

圖5 界面張力測定結(jié)構(gòu)

把試驗(yàn)樣品（板或線）的一端浸入熔融釬料中，正確地測定由于釬料潤濕作用在試驗(yàn)樣品上的附著張力隨時(shí)間的變化規(guī)律，即作用在試驗(yàn)樣品上的潤濕力，如圖6示。

圖6 測量原理

附著張力方向是指向下方的，而母材受到的浮力是朝上的，此二力的差可表示為F=rlfcosθ·2πr-πr^2ρgh式中 F——作用在試驗(yàn)樣品上的力；rlf——釬料和助焊劑的界面張力；θ——接觸角；r——試驗(yàn)樣品的半徑；ρ——釬料的密度；g——重力加速度；h——浸漬深度。把試驗(yàn)樣品從浸入熔融釬料中到提升出來，F(xiàn)隨時(shí)間和接觸角的變化關(guān)系如圖7所示。

圖7 F隨時(shí)間和接觸角的變化關(guān)系

（3）試驗(yàn)結(jié)果解析。在潤濕曲線上最主要的特征數(shù)據(jù)是：●最大潤濕力FW；●潤濕力為零的時(shí)間（零交時(shí)間t1）；●潤濕力Ft變化達(dá)到0.632FW時(shí)的時(shí)間w0.632Ft，如圖8所示。

圖8 潤濕力的時(shí)間變化和接觸角的關(guān)系

●潤濕力變化分別達(dá)到2/3FW和最大值FW的時(shí)間t2/3Fw和tFW，如圖9所示。

圖9 W2/3Ft、WFt定義

MIL-STD-883B標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，當(dāng)取FW=300dyne/cm時(shí)，要求t1=0.59s。而對于電子業(yè)界批量焊接組裝的元器件，則要求t1≤1s。（4）潤濕曲線的陡度評估。潤濕曲線的陡度就是指從潤濕開始，到潤濕力達(dá)到最大值這一過程中曲線的斜度，如圖10所示。曲線越陡，可焊性越好。

圖10潤濕曲線的陡度

3）浸漬試驗(yàn)法此法以表面張力和毛細(xì)作用力共同對浸入熔融釬料中的試驗(yàn)樣品的作用為基礎(chǔ)。當(dāng)試驗(yàn)樣品浸入時(shí)，這兩種力隨時(shí)間而變化。起初，垂直浸入的樣品引起熔融焊料表面一起向下，表面張力是阻止試驗(yàn)樣品浸入的。當(dāng)試驗(yàn)樣品潤濕時(shí)，形成的彎月邊緣遂轉(zhuǎn)換方向，最終沿試驗(yàn)樣品的表面爬升，此時(shí)試驗(yàn)樣品上的作用力改變了方向，趨勢是將試驗(yàn)樣品往下拉。測試儀器測量并記錄這些力隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系。此法由于涉及的力較小，故適合于比較小的試驗(yàn)樣品。該測試裝置的外觀結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 浸漬試驗(yàn)法測試裝置的外觀結(jié)構(gòu)