助焊剂在软钎焊中的作用是什么

表面活性剂在软钎焊中的应用分析

苏州诺菲尔从表面张力对软钎焊工艺的影响开始，深入探讨了表面活性剂的作用及其帮助焊接的工作原理，以及表面活性剂在助焊剂中的应用及要求，并分析了因为浸润不当而造成焊接不良的几种状况。

    关键词：表面张力  软钎焊  表面活性剂    助焊剂   浸润

在软钎焊工艺中，影响焊接质量的原因是很多的，焊料不能充分浸润是影响焊点质量的一个重要原因，也是比较难以解决的一种状况。表面张力是影响焊料浸润的主要原因，在焊接过程中，助焊剂可以降低熔融焊料的表面张力，而表面活性剂作为助焊剂中的重要组成部分，它是如何工作的？它的原理是什么？常见的浸润不良是怎样引起的、表现为哪些焊接缺陷等？针对这些问题本文将展开全面的论述。

一，关于表面张力

（一），表面张力的概念

物质相与相之间的分介面称之为界面，包括气-液、气-固、液-液、固-固、固-液五种。其中包含气相的界面叫表面，即有液体表面和固体表面两种。

表面张力在液体物质中的表现尤为明显，液体内部的每个分子都处在其它分子的包围之中，被平均的吸引力所吸引，呈平衡状态。但是，液体表面的分子则不然，其上部有一个异质层，该层的分子密度小，平均承受垂直于液面、方向指向液体内部的引力。其结果，使得液体表面分子产生聚集力，从而导致液体表面积收缩到最小，呈球状（在体积相同的情况下，表面积最小的形状是球型）（见图一）。

图一，表面张力对液体的作用示意图

透过上述分析可以看出，所有物质表面自行收缩的力是表面自由能的作用，这个能就叫做表面张力或表面能，这种现象叫做表面张力现象。

（二），表面张力对软钎焊的影响

   在软钎焊过程中，焊料呈现出固态到液态再到固态的过程，并完成焊接工作，在液态焊料与固态基材接触时，所表现出来的表面张力是相当大的，如果不能有效降低液态焊料的表面张力，在焊接后段，即焊料由液态转化为固态焊点的时候，所表现出的形状应该是球型，而不具备适合要求的润湿角，同时不能铺满焊盘或不能铺展、浸润至所需焊接的部位，这是一种典型的焊接不良状况，通常称之为润湿不良。

润湿不良主要是因为表面张力的存在，无论是在焊锡丝焊接还是手浸焊、波峰焊或者是焊锡膏的热风回流焊等，在所有的软钎焊工艺中都有可能发生。（因为表面张力作用造成的焊接浸润不良，见图二实物及图三示意图）

图二，未完全润湿的焊点图片

图三，表面张力的作用，使未经润湿的锡焊料收缩成球形状态

二，表面活性剂的概念及其工作原理

（一）、表面活性剂的概念：

表面活性剂具有两个特性：第一，能活跃于其他物质表面；第二，改变其他物质表面张力。因此可以将表面活性剂定义为：能活跃于其他物质表面具有极高降低表面张力能力和效率的一类物质。

表面活性剂在一定浓度的溶液中能形成分子有序组合体，从而具有一系列应用功能；所以很低的浓度或很小的用量，就能显著地降低溶剂或其他液态物质表面张力。（以HUAXIA公司ST表面活性剂的实验对照效果，见图四）

图四，高效表面活性剂效果演示对比

（二）、表面活性剂的结构及其工作原理：

表面活性剂都是由溶剂可溶性和溶剂不溶性两部分组成，这两部分处于分子的两端，形成不对称结构（见图五）。表面活性剂显著降低表面张力正是由这种结构决定的。

图五，以HUAXIA公司ST表面活性剂结构为例的示意图

以在水基溶剂中的作用来概述表面活性剂的工作原理，亲水基团使分子有进入水的倾向，而疏水基团则竭力阻止其在水中溶解，而从水的内部向外迁移，有逃逸水相的倾向，这两种倾向平衡的结果使表面活性剂在水表富集，亲水基伸向水中，疏水基伸向空气，结果是水表面好像被一层非极性的碳氢链所覆盖，从而导致水的表面张力下降。

表面活性剂在界面富集吸附一般的单分子层，当表面吸附达到饱和时，表面活性剂分子不能在表面继续富集，而疏水基的疏水作用仍竭力促使基分子逃离水环境，于是表面活性剂分子则在溶液内部自聚，即疏水基在一起形成内核，亲水基朝外与水接触，形成最简单的胶团。开始形成胶团时表面活性剂的浓度称之为临界胶束浓度，简称cmc。

当溶液达到临界胶束浓度时，溶液的表面张力降至最低值 ，此时再提高表面活性剂浓度，溶液表面张力不再降低而是大量形成胶团，此时溶液的表面张力就是该表面活性剂能达到的最小表面张力，用rcmc表示。

三，表面活性剂在软钎焊中的作用：

（一）、软钎焊的焊接原理及焊点要求

通常将焊接温度低于450℃，且母材不熔化只有焊料熔化，通过物理结合形成良好的钎焊接头，这样的焊接方式称之为软钎焊。

    在软钎焊过程中，必备的钎焊条件主要有两个方面：一，被焊接物表面必须洁净（无氧化层或异物）；二，熔化的焊料必须被充分浸润，然后充分流动并完全填塞于金属接合面之间，同时形成具有一定强度、并有着良好润湿角的焊点（通常情况下，焊点润湿角在30-45⁰左右为宜，见图六）。

图六，焊点良好的浸润角度成型在30-45⁰为宜

（二）、表面活性剂对焊料的浸润原理

熔融态焊料的表面张力是影响焊接质量的重要因素，但是，因为表面张力是一种物理特性，所以在实际操作中，我们只能改变它而不能完全消除它。在软钎焊过程中，降低焊料表面张力的同时，就可以提高焊料的润湿能力，从而达到良好的焊接效果。
    降低焊料表面张力并不是只有依靠表面活性剂的作用这一种方法，但表面活性剂的使用是比较常见且比较有效的一种方法，除此以外，还可以通过其他办法降低表面张力达到增强润湿的效果，比如：提升焊料的工作温度（表面张力一般会随着温度的升高而降低）、增强活性成份的效果彻底去除基材及焊料表面的氧化层、采用气体保护等。

在软钎焊过程中，经过表面活性剂的作用，助焊剂对焊料起润湿是在三个力的作用下形成的。当这三个力呈平衡状态时，焊料就会呈现出一定的扩散,表现出润湿状态。（参照图七分析）

图七，助焊剂对焊料浸润的原理示意图

固体(基材)和液体(液态焊料、助焊剂)之间的润湿情况，一般可由众所周知的扬式（YOUNG）公式来表示：B = C + A.cosθ————①
    上式中:B(Bsv)——固体金属（基材）和焊剂之间的界面张力  

C(Csl)——熔化焊料和固体金属（基材）之间的界面张力  

A(Alv)——熔化焊料和空气之间的界面张力  

θ——焊料附在固体金属（基材）上的接触角。

由①式可得出：

由②式可看出，A越接近B 或 C 越小...接触角θ也就越小...。
四、表面活性剂在电子化学品中的应用

（一）、表面活性剂在助焊剂（包括焊锡膏助焊剂）中的应用

在软钎焊的整个过程中，助焊剂通过自身活化物质作用，去除焊接材质表面的氧化层，同时使锡液与被焊材质之间的表面张力减小，增强锡液流动及浸润性能，完全填塞焊缝并形成焊点。这是助焊剂在焊接过程中的作用，也是助焊剂的工作原理。我们将助焊剂的主要组份分成溶剂、活化剂、表面活性剂、载体及其他添加剂这样五大类，其中比较重要的两个部分是活化剂和表面活性剂，这可以通过助焊剂的工作原理看出来。

目前常用的高效氟碳类表面活性剂，因为成本较高以及多呈胶固态的状况，一般在使用时需稀释后添加，稀释后的表面活性剂很容易进入到整个体系，并且迅速溶解并能完全均匀分布。按照供应商提供的使用建议，一般用异丙醇先将此类表面活性剂稀释为10%左右溶液，然后按照供应商的建议或者根据产品实际需要的添加量进行添加，在整个配比的过程中，表面活性剂一般是最后加入到整个配方体系，且一般不与活化剂或其他物质同时添加，以液体助焊剂为例，常见的添加顺序为：“溶剂——松香（树脂）——活化剂——其他添加剂等——表面活性剂”。

通过对表面活性剂的作用及其工作原理分析，在实际的使用过程中，助焊剂（包括焊锡膏助焊剂）对表面活性剂的要求有以下几点：

1、具有较强的表面活性效果，能够在极小的添加量时，表现出较高的浸润效果。

2、焊后无残留，或残留物不能分解成导电离子状态。这一点是比较重要的，一般表面活性剂（或胺卤素类产品）比较容易分解成导电离子，并在板面形成离子状残留，既有可能造成后续腐蚀也可能会影响产品的电气性能。ST高效表面活性剂，为氟碳聚合产品，因为添加量极小，且在焊后迅速分解以挥发或升华等方式流走，并不能在板面形成不可靠的残留物。

   3、具有较好的热稳定性。这是因为助焊剂开始对焊料起浸润作用，一般从焊料熔融时开始，而焊料熔融必须达到焊料的固相线以上温度，锡铅焊料在183℃左右，而无铅焊料更是达到212℃左右。这就对表面活性剂的耐热性能要求比较高，一般表面活性剂在200℃时就会分解，而ST系列表面活性剂在正常的焊接温度下(大于260℃)，依然能稳定存在（参照表一）。

表一，ST表面活性剂热稳定性试样数据

（注：10毫克样品在空气中以5℃/Min的升温速率加热）

    4、具有较好的化学稳定性。较好的化学稳定性，决定了表面活性剂在整个配方体系中的稳定性，以及与其他物质（如活化剂、添加剂等）的配伍性；通过实验证明，氟碳类表面活性剂与助焊剂常用的有机活化剂或其他添加剂都能够很好地配伍，不会破坏整个配方体系的稳定性与可靠性。

    5、表面活性剂不能或只能具有较弱的活化性能。表面活性剂的重要作用是对熔融态焊料起到浸润作用，而不是去除被焊基材表面的氧化层，所以表面活性可以不具备较强的活化性能。较强的活性在焊接过程中，会与焊料起反应，特别是在焊锡膏助焊剂中使用时，较强的活化物质会与锡粉表层发生反应，从而影响焊接质量。（虽然这一点有些活化剂的影响更大，但表面活性剂不需要具备活化性能也是很重要的。）

6、具有较合理的使用成本。目前，高效氟碳表面活性剂的价格较高，平均价位在600元左右/磅；以液体助焊剂为例，依照供应商提供的添加方法，平均添加量控制在0.5-1.5 ‰之间，添加成本约在0.7-2.0元/公斤助焊剂，这样的成本在中高档助焊剂中是可以接受的。如果价位更高的表面活性剂或者添加量更大的使用方法，会造成助焊剂成本的增加。

（二）、软钎焊中常见的浸润不良原因分析：

1、DIP等常规焊接中的浸润不良：

在使用液体焊剂的焊接工艺中（包括波峰焊、手浸焊等），常见的浸润不良会导致焊点虚焊（见图八），另外可造成焊盘吃锡不满、管脚夹锡、焊点桥接等状况。当然焊接中的此类不良往往和焊接温度、焊接方式等有关系，单从助焊剂的浸润方面来讲有三个方面的可能：一方面可能是表面活性剂添加量过小，未能起到充分的浸润作用；另一方面可能是添加的表面活性剂并不适当，不能够起到足够的浸润作用；还有一个可能是表面活性剂在使用过程中因工作温度较高而过早地失去了浸润的作用。

图八，当焊点形成角度>90⁰时，造成虚焊

2、SMT中的浸润不良：

在SMT生产中，元器件是放置在锡膏之上，锡膏熔化的瞬间所形成的表面张力会作用在元器件两端，因为片式元件重量极轻，如果元件两端所受的表面张力不一致，极有可能造成竖碑的现象（见图九）。当然，出现竖碑现象的原因远不止浸润不良这一个方面，还可能因为焊盘面积大小不同，导致元件两端锡膏熔化时间不一致，在元件两端出现了“温度梯度”等。良好的表面活性剂，能够最大限度地降低熔融态焊料的表面张力，并使两端受力趋于平衡，从而避免竖碑现象的出现。另外润湿不良还会造成焊点吃锡不满、锡焊料不能有效爬升、渗透等不良状况。

图九，SMT元件竖碑现象的视频截图

3、关于断续润湿的状况

焊料膜的断续润湿是指有水或其他油污出现在基材表面，在熔化的焊料覆盖层下隐藏着某些未被润湿的点，因此，熔化的焊料在焊接基材表面会有断续润湿现象出现。不充分的浸润会使焊料在基材表面不能充分流动和浸润，使焊料发生收缩，往往在焊盘表面的焊料会聚成小球或者脊状秃起物。（见图十示意图）

图十，焊点角度<15⁰时，焊料量过小

排除焊材、工艺等状况，有可能是焊料在环形焊盘上弱浸润或断续浸润所造成的

当然，断续润湿也能由部件与熔化的焊料相接触时放出的气体而引起，这种气体更多的时候是由于有机物的热分解或无机物的水合作用而释放的。

在实际焊接工艺中，较高的焊接温度和较长的停留时间会导致更为严重的断续润湿现象，排除温度等工艺原因，以及基材的污染状况，焊剂的表面活性是否充分发挥了作用或者所选用的表面活性剂是否合适等，也是值得考评的一个问题点。

通常，消除断续润湿状况的对策有：增强焊剂表面活性成分、降低焊接温度、缩短软熔的停留时间、采用流动的惰性气氛、降低污染程度等几种方法。

4、OSP对焊点浸润的影响

    近年来，特别是在软钎焊行业推行无铅化以来，OSP在PCB行业推行的越来越广泛，但是，目前国内的一些产品并未完全克服一定的技术难关，因此在焊接过程中，涉及OSP处理方面的不良状况也越来越多。

OSP中文名称为“有机保护剂”，它对PCB起到保护和防氧化作用的机理这样的，在OSP中有“苯基三连唑BTA”一类的物质，它能够与焊盘表面金属铜发生化学反应，在铜面上覆盖一层有机保护膜（平均厚度可由0.35-14µm），该有机保护膜具有强抗热、耐湿处理性能，并因此起到对PCB表层的防氧化作用。（关于OSP保护层的优劣及其实物质量对照，参照图十一）

图十一，OSP保护层的质量优劣评判及实物对照

根据OSP的设计原理可以看出，在铜焊盘的表面要形成一个有机保护层，而这个保护层是要在焊接前（进入焊接区以前）必须有效去除的，去除这个保护层的物质主要是助焊剂中的活性剂。实际情况正如某些OSP商家宣传的“抗氧化皮膜的耐热、耐湿性绝缘性优”，那么可以想象，在焊接过程中，助焊剂首先要去除这个保护层，这在个过程中，表面活性剂是保证助焊剂能够在这个保护层上均匀分布并充分浸润的关键。目前常见的不良，一方面是不能有效完会去除这个保护层，另一方面是可以完会去除这个防氧化保护层，但是在这个过程中，助焊剂中的活化剂和表面活性剂均会不同程度地流失，因此造成焊接效果不理想。常见的不良有虚焊、空焊、吃锡效果不好等，这些不良的出现，从很大程度上来讲就是助焊剂不能充分浸润的结果。除上述焊接不良以外，OSP在焊接过程中（特别是贴插混装板材），经过多次热击后，在基材表面所形成的不易去除“保护层（或氧化层）”更是影响焊料充分浸润的主要原因。

当然，在此只是探讨表面活性剂在焊接过程中的应用，因此，更多地是从助焊和焊料润湿等方面进行一些浅显探讨，并不是针对OSP工艺全部的技术缺陷来讲，相信随着国内技术水平的不断提升，当前常见的OSP工艺方面的不良状况也会随之解决。

五、结论

    当前，国产助焊剂与国外产品的技术差距越来越小，但是更小的差距，并不能说明我们在快速超越国外技术，国内厂家研究助焊剂更多地是将注意力集中在某几个配方性能改进和不断降低的成本要求上，国外厂家则更多地对助焊剂核心材料（比如表面活性剂、活化剂的应用）进行研究。所以，国外焊剂技术的成长是有着较好底蕴的良性提升。诚如一个在市场销售时常见的现象，国内厂家助焊剂在上锡速度、上锡性能等方面，可能都比国外某些知名品牌优越，但是在电气性能、安全可靠性方面却相差太远；这恰恰说明，以显著的短期经济利益为趋动力的技术研发不具备成长潜力，也是没有前途的研发，最终，还是有意无意地走向拿来主义的老路。

经过苏州诺菲尔分析过程中，焊料的充分润湿是保证焊接质量重要的环节；无论采用什么样的焊接方式，助焊剂所起到的作用都是不可或缺的；助焊剂中的表面活性剂又是核心材料，表面活性剂的性能优劣及使用方式是否得当，都会影响助焊剂的助焊效果。随着表面活性剂技术的不断提升，氟碳类表面活性剂在助焊剂中的应用也不断深入，正确地选择、合适的配比，是确保一款助焊剂性能重要因素。

随着高效表面活性剂在软钎焊中的应用的不断深入，国内厂商应该有更多、更广泛地研究，期待着国内技术不断提升，让软钎焊质量得到更为可靠的保障！