焊接機理完整版

潤濕：在焊接過程中，我們把熔融的焊料在被焊金屬表面上形成均勻、平滑、連續(xù)并且付著牢固的合金的過程，稱之為焊料在母材表面的潤濕。

潤濕力：在焊接過程中，將由于清潔的熔融焊料與被焊金屬之間接觸而導致潤濕的原子之間相互吸引的力成為潤濕力。

焊料的潤濕與潤濕力

在自然界中有很多這方面的例子，舉例來說，在清潔的玻璃板上滴一滴水，水滴可在玻璃板上完全鋪開，這時可以說水對玻璃板完全潤濕；如果滴的是一滴油，則油滴會形成一球塊，發(fā)生有限鋪開，此時可以說油滴在玻璃板上能潤濕；若滴一滴水銀，則水銀將形成一個球體在玻璃板上滾動，這時說明水銀對玻璃不潤濕。
焊料對母材的潤濕與鋪展也是一樣的道理，當焊料不加助焊劑在焊盤上熔化時，焊料呈球狀在焊盤上滾動，也就是焊料的內(nèi)聚力大于焊料對焊盤的附著力，此時焊料不潤濕焊盤；當加助焊劑時，焊料將在焊盤上鋪開，也就是說此時焊料的內(nèi)聚力小于焊料對焊盤的附著力，所以焊料才得以在焊盤上潤濕和鋪展。

熔化的焊料要潤濕固體金屬表面所具備的條件有兩條：

1、液態(tài)焊料與母材之間應(yīng)能互相溶解，即兩種原子之間有良好的親和力。

2、焊料和母材表面必須“清潔”。

這是指焊料與母材兩者表面沒有氧化層，更不會有污染。母材金屬表面氧化物的存在會嚴重影響液態(tài)焊料對基體金屬表面的潤濕性，這是因為氧化膜的熔點一般都比較高，在焊接溫度下為固態(tài)，會阻礙液態(tài)焊料與基體金屬表面的直接接觸，使液態(tài)焊料凝聚成球狀，即形成不潤濕狀態(tài)。

表面張力:表面張力是化學中一個基本概念,表面化學是研究不同 相 共同存在的系統(tǒng)體系,在這個體系中不同 相 總是存在著界面,由于 相 界面分子與體相內(nèi)分子之間作用力有著不同,故導致相界面總是趨于最小化.(能量守恒定率)

表面張力與潤濕力

在焊接過程中,焊料的表面張力是一個不利于焊接的重要因素,但是,因為表面張力是物理的特性,只能改變它,不能取消它,在SMT焊接過程中,降低焊料表面張力可以提高焊料的潤濕力.

減小表面張力的方法(以錫鉛焊料為例)

1) 表面張力一般會隨著溫度的升高而降低
2) 改善焊料合金成分(如錫鉛焊料:隨鉛的含量增加表面張力降低)
3) 增加活性劑,可以去除焊料的表面氧化層,并有效地減小焊料的表面張力
4) 采用不能的保護氣體,介質(zhì)不同,焊料表面張力不同.
采用氮氣保護的理論依據(jù)就在與此.

在SMT生產(chǎn)中，元器件是放置在錫膏之上，錫膏熔化的瞬間所形成的表面張力會作用在元器件的端電極上,對片式元件來說，由于元件重量極輕,若焊盤面積大小不一致,焊盤熱容量就不一樣,則兩焊盤上錫膏熔化時間不一致,錫膏熔化時所產(chǎn)生的表面張力不一樣,由于表面張力的不平衡,會導致元件出現(xiàn)力碑缺陷.

潤濕角：是指焊料與母材間的界面和焊料熔化后焊料表面切線之間的夾角，又稱接觸角。

潤濕程度與潤濕角

圖1 液態(tài)焊料在母材表面穩(wěn)定時的潤濕角

Cosθ=(σ固?氣-σ固?液)/σ液?氣

式中：σ固?氣為基體金屬與氣相(或釬劑)之間的界面張力；
σ固?液為基體金屬表面與液態(tài)釬料之間的界面張力；
σ液?氣為液態(tài)釬料的界面張力；
接觸角θ的大小表征了體系潤濕與鋪展能力的強弱。θ= 0°時，稱為完全潤濕；0°<θ<90°時，稱為潤濕；90°<θ<180°時，稱為不潤濕；θ=180°時，稱為完全不潤濕。
焊接時，液態(tài)焊料對固態(tài)母材的潤濕是最基本的過程。因此，要獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭，就必須保證液態(tài)焊料能良好地潤濕母材，只有這樣，釬料才能順利填充釬縫間隙，所以，一般情況下希望液態(tài)焊料在母材上的接觸角要小于20°。SMT焊接要求小于30°。

潤濕程度的目測評估

潤濕程度的大小，分為下列幾種狀態(tài)：

1) 潤濕良好：指在焊接面上留有一層均勻、連續(xù)、光滑、無裂痕、付著好的焊料，此時潤濕角小于30度。通過切片觀察，則在結(jié)合面上形成均勻的金屬面化合物，并且沒有氣泡。

2) 部分潤濕：金屬表面一些地方被焊料潤濕，另一些地方表現(xiàn)不潤濕。在潤濕區(qū)的邊緣上，潤濕角明顯偏大。

3) 弱潤濕：表面起初被潤濕，但過后焊料從部分表面濃縮成液滴。

4) 不潤濕：焊料在焊料面未能形成有效鋪展，甚至在外力作用下，焊料仍可去除。

毛細現(xiàn)象及其在焊接中的作用

毛細作用：是液體在狹窄間隙中流動時所表現(xiàn)出來的固有特性。在實際生活中有很多這樣的例子，例如：將兩塊平行的玻璃板或直徑很細小的潔凈管子插入某種液體中，液體在平板之間或在細管內(nèi)會出現(xiàn)兩種現(xiàn)象：一種是液體沿著間隙或細小內(nèi)徑上升到高出液面的一定高度h,如圖2(a)所示；另一種是液體沿著間隙或細小內(nèi)徑下降到低于液面的一定高度h，如圖2(b)所示，這種現(xiàn)象稱為“毛細作用”。液體在毛細作用下，在間隙或細小內(nèi)徑中上升或下降的高度，可由下式確定：

h=2σ液·氣·cosq / g·ρ·r

式中：σ液·氣—液相與氣相界面上的界面張力；
q—潤濕角；
r—毛細管的半徑(或平板間隙)；
g—當?shù)氐闹亓铀俣龋?br>ρ—液體的密度。

圖2 細小間隙中的毛細作用

圖3 毛細作用效應(yīng)

據(jù)我們中學的物理中所講，平行間隙中的毛細作用是均勻的，然而，在焊接中，平板平行間隙中的毛細填縫作用是不均勻的。我們不妨做一個簡單的實驗：將兩塊玻璃板搭接在一起，在搭接的邊緣上，滴一滴墨水，我們可以清楚的看見這一現(xiàn)象，就是墨水在平板間隙中不是均勻、整齊地流動，而是紊亂的流動。并且還可以看到，墨水的填縫速度是不均勻的，不僅在前進方向會有流速不均勻的現(xiàn)象，有時還受到墨水沿側(cè)面流動的影響(如圖3所示)。因此，從這一試驗結(jié)果可以看出：焊接時，焊料的毛細填縫也應(yīng)是不均勻、不規(guī)則的。實際上這種毛細填縫特點將會直接影響焊接接頭的質(zhì)量，形成焊縫不致密，產(chǎn)生夾氣、夾渣等缺陷。

在焊接過程中，焊縫可能處于水平或傾斜等各種位置，而且在實際表面構(gòu)成的平行間隙內(nèi)，由于表面粗糙度的影響，使得實際間隙內(nèi)各處的實際值的大小不同，焊料流動前沿不能夠象理想表面構(gòu)成的平行間隙時焊料流動前沿那樣平穩(wěn)，而會產(chǎn)生紊亂，但液態(tài)焊料有優(yōu)先填充微小間隙的傾向，這一特點始終是成立的。對于不平行的間隙來說，液態(tài)焊料將首先填充小間隙部分，然后再從小間隙處向大間隙部分推進。