焊料合金的润湿性分析Word格式文档下载.doc
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1、润湿性的表征
将夜体制与固体表面上，液相表面与固相表面的接触界面处，形成相对的面间角，称之为接触角，如图1所示。
接触角θ定义为:
在固、液、气三相交界处，气液相界面与固液相界面之间的夹角。
图中所示为各项界面的剖面图，接触角以相界面切线的夹角表示。
θ=1时，为完全润湿；
当0<
θ<
π/2时，呈一般润湿；
π/2<
π时为不润湿状态。
在没有界面化学反应的条件下其平衡形状取决于固体表面能，液体表面能以及固液界面能孩子之间的平衡关系。
当系统达到平衡时，总界面能最小。
接触角θ与界面能的关系，可通过热力学中自由能最小原理得到。
Young和Dupre用数学表达式建立了接触角与界面能之间的关系公式：
（1）
为固液界面能；
为固/气界面能，及固体自由表面的表面能；
为液/气界面能，即液体表面能；
即
（2）
由于物质表面有自动收缩以减小体系能量的趋势，这种趋势可看作表面（或界面）分子相互吸引的结果，因此系统达到平衡也可以看作表面（或界面）张力相互作用达到力学平衡。
且表面能与表面张力的量纲相同，数值相等，因此接触角与各种表（界）面张力的关系也可以采用Young-Dupre公式表示:
（3）
2、铺展性测试方法
铺展法是基底材料（纯铜板）放置好焊料试样和助焊剂，加热一段时间使其熔化，测量得到焊料的铺展面积或铺展率，以此评价焊料的润湿性。
日本行业标准JIS-Z3198-3根据焊料铺展且凝固后形成的焊点形状，通过计算铺展系数来衡量焊料的润湿性能。
（2-4）
式中：
为铺展率
H为铺展后焊料的高度（mm）；
D为将试验所用焊料看作球体时的直径（mm）；
焊料在基底材料上的润湿性越好，铺展后的面积越大，而铺展后焊料的高度H就越小。
由上式可以看出，H减小，铺展率增大。
3、实验设备及材料
（1）实验材料：
将浇注成一定形状的焊料合金Sn-42Bi-3Zn用锯条锯成较为均匀的粉末状，然后取0.3g粉末在装有松香的坩埚里融成小球；
（2）实验设备：
创美恒温预热平台（CM198）
三、实验结果及分析
1.焊料合金Sn-42Bi-3Zn和Sn-37Pb在纯铜板上铺展后凝固形成的焊点形状如下图所示：
图2
从图中可粗略看出，Sn-37Pb的铺展更充分，说明纯Sn的润湿性能较合金Sn-42Bi-3Zn好。
而Sn-42Bi-3Zn和Sn-10Pb-2.5Cu的铺展率看起来是Sn-10Pb-2.5Cu的更好，所以需要通过计算来验证。
2.实验测得的相关数据如下表所示：
注：
本小组的样品为Sn-42Bi-3Zn，1号试样。
Sn-10Pb-2.5Cu为第五组试样，只参与计算比较，不进行剩余的分析工作。
样品
密度
（g/cm3）
质量
（g）
小球直径
D（mm）
铜板高度
H1（mm）
铜板和焊点
总高度H2（mm）
焊点高度
平均值
H2-H1（mm）
铺展率
Sn-37Pb
8.3894
0.302
4.096
0.30
1.08
0.747
0.818
1.04
0.32
Sn-42Bi-3Zn
8.3452
0.303
4.108
1.58
1.267
0.692
1.56
Sn-10Pb-2.5Cu
7.2785
4.295
0.36
2.04
1.660
0.614
0.38
2.02
根据公式分别计算Sn-37Pb铺展系数1和Sn-42Bi-3Zn铺展系数2，Sn-10Pb-2.5Cu的铺展系数3，结果如上表所示。
由所求得的铺展系数比较可知，1>
2>
3，所以Sn-37Pb的铺展性比Sn-42Bi-3Zn要好，Sn-10Pb-2.5Cu的铺展性最小。
3、Sn-Pb焊料在以前用的比较广泛就是因为它具有良好的润湿性，这一点由图二就可以看出来，但是后来Sn-Pb焊料被其他焊料取代的原因就是Sn-Pb焊料具有毒性，对人体有伤害。
4、Sn-42Bi-3Zn合金焊料由于加入了Bi使得润湿性大大提升。
Sn-Zn-Bi焊料是目前Sn-Zn系焊料中润湿性较好的一种。
由于Bi的加入往往能明显降低Sn基合金熔体的表面张力，因此这种元素成为提高Sn-Zn系焊料润湿性的首选。
四、建议
将本次实验与上次《焊料合金的抗氧化性能分析实验》相比较可以发现，Sn-42Bi-3Zn合金虽然润湿性比较好，但是它的抗氧化性能较差，需要掺一些Al来提高其抗氧化性。
五、参考文献
【1】夏志东.锡锌系无铅钎料的性能及其评价[D].博士论文,北京:
北京工业大学,2002.9
【2】付小琴.Sn8Zn3Bi（P，Nd）无铅焊料的组织和性能.硕士论文.南京：
东南大学，2006.12
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