扩展率测试方法的研究
罗道军蔡颖颖
中国赛宝实验室 510610 广州，luodj@ceprei
摘要本文根据扩展率的物理意义设计了新的扩展率测试方法，并将该新的方法与
目前的标准规定的扩展率测试方法进行比较，结果发现新方法应用在有铅的条件下
测试助焊剂获的扩展率与目前的标准方法获得的结果在高值部分非常接近，而当扩
展率低于90％后，二者之间的误差逐渐增大。在无铅的工艺条件下，低值部分与目
前的测试方法获得的结果比较接近，而在扩展率大于76％以上的部分，目前的方法
与新方法的结果相差较大。本文还同时分析了方法之间误差产生的原因。
关键词扩展率助焊剂助焊性能
前言
以锡焊接工艺为基础的现代电子组装制造业必须使用到一种基础的助焊剂材料，包括波峰焊使用的液体助焊剂、焊锡丝芯助焊剂以及焊锡膏中的膏状助焊剂。这些助焊剂在焊锡工艺中主要起到促进焊锡浸润、帮助提高焊接效果的作用，为了表征助焊剂的助焊性能，通常需要测试评估其扩展率指标和润湿时间（或润湿力），其中扩展率因其测试相对方便而且直观，被更加常用来表征助焊剂的助焊能力。另外，由于焊接过程还涉及到温度、焊料以及被焊面等因素，当固定或标准化其中的温度、被焊面以及助焊剂后，所测得的扩展率还可以用来表征焊料的润湿性能力。因此，扩展率又常常是焊料的一个关键性能指标。在这里，各种标准规定的扩展率测试的原理是基本一致的。本文希望基于扩展率的物理含义，展开扩展率测试方法的研究，以求进一步完善现有的扩展率测试方法。
1 扩展率的物理含义
根据润湿的基本原理，要在焊接界面上形成一个好的焊点，焊料必须首先润湿被焊面，焊料金属的原子与被焊面的金属基材的原子达到一个双方可以产生作用力的距离，然后才会发生金属之间的扩散，乃至最后形成合金层或金属间化合物。而焊料常常需要在助焊剂的帮助下，才能发生焊料的润湿现象。焊料的浸润过程就是焊料在被焊表面的铺展过程，焊料在被焊面均匀地铺展开来后，焊料的形状就会发生变化，即高度变低面积变大。扩展率就是这个高度变低面积变大的一个表征参量。由于铺展面积的量是一个绝对量，与焊料的多少以及被焊面的大小有关，因此一般不使用铺展面积来表示，而是用扩展率来表示，就是假定润湿发生的最初阶段焊料完全没有浸润被焊面，即此时的润湿角为180度，
只有一个接触的点而没有面接触，此时的焊料就应该是一个完整的球形，此时焊料的高度就是这个球的直径（D）。施加助焊剂与热量后，焊料就开始润湿并铺展开来，焊料就由最初的理想的球形铺展成为一定高度的焊点（高度为h），那么这个焊点与理想的球形焊料的高度差（D－h）与完全不浸润时的球形焊料的高度D的百分数比值就定义为扩展率。这个扩展率就与焊料的多少以及被焊面的大小无关的特征参数了。目前的标准如GB9491、JIS Z3197和JIS Z3198等等都是
使用基于上述原理制定的测试方法。原理如图1所示，扩展率S R ＝（D －h ）/D ×100％。根据该原理，扩展率应该与铺展面积成正比，润湿性或助焊能力越好，焊料的铺展面积就越大，焊点的高度越低，扩展率也就越大。因此，通过测试扩展率这个指标就可以很好的表征焊料的润湿性以及助焊剂的助焊能力。
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图 1  扩展率测试原理
2 目前的测试方法
目前几个关于助焊剂的扩展率的标准[1~3]规定的扩展率测试方法都非常类似。就是选取标准的铜片，经过抛磨、酸洗、烘烤等工艺处理后作为被焊面试件使用；锡铅焊料使用的标准合金是Sn60Pb40或Sn63Pb37的实芯的焊锡丝，焊锡丝的线径为1.5～1.6mm ，绕成内径为3mm 的环，整个焊料环的质量约0.3克。测试条件方面：锡铅工艺的测试时的焊接温度为235℃，而无铅焊料使用的标准合金是SnAg3Cu0.5即SAC305焊料，无铅焊接的温度为250℃。
测试时，在标准铜片上中央放上制备好的焊料环，再往环中滴加约0.1ml 的助焊剂（或先滴加助焊剂
然后再放置焊料环），然后将该试件置于设置好焊接温度的炉锡表面，放置20秒后取出，冷却后用溶剂清洗掉残留物后测量焊点高度(h)。
扩展率（S R ）的计算如下：
S R ＝（D －h ）/D ×100％
式中D 为假设与所用的焊料环等体积的焊料球的直径，即
D ＝1.24V 1/3, V=m/ρ
m 为焊料环的质量，ρ为焊料环的密度。
本法中只需要称量焊料环的质量，其密度可查资料，再两量测焊点的实际高度即可计算出所求的扩展率。
需要注意的是，本法中使用了直径为3mm 的实芯焊料环来代替定义中的焊球（即图1中的焊料球），这时的焊料的高度只有实芯焊锡丝本身的直径1.5 mm，而不是假定的完全不润湿时的焊料球的直径D。显然在没有加热与施加助焊剂的时候，焊料已经铺展到一定程度了，所以实际的测试结果应该比理论的要大。
3 研究的试验方法
既然扩展率的定义中使用了假定的焊料球的直径，因此，本研究将直接使用焊料球来代替焊料环来测试助焊剂的扩展率，看看实际的结果与现在的方法会有多大的差异。关键的1.施加焊剂；2. 放置标准焊料（焊环或焊球）并加热20～30秒；
3.冷却后测量焊点高度h
步骤是如何获得相应的焊料球，本研究使用某品牌合金为SAC305的焊锡膏和合金为Sn63Pb37的焊锡膏来制备焊料球，通过不同大小开口的不同厚度的印刷模板将相同合金的焊锡膏印刷在铝板上，然后回流，由于焊锡在铝板上不浸润，回流后即得到不同规格的焊料球，选取质量的与先前所使用的焊料环质量相当的约为0.3克的焊料球，来进行扩展率试验。
被焊面试件使用T2号（GB/T2040）标准铜片，按照JIS Z3197规定的方法进行前处理备用。助焊剂按照表  1 中的配方配制成不同卤素含量不同活性的试样进行测试，每个活性水平下的助焊剂测试五组数据求平均值，以考察不同助焊活性或不同扩展率水平下两种方法的差异。焊接试验的温度有铅选择为标准规定的235℃，无铅选择为260℃；焊接时间20秒～30秒，一般至熔融焊料不再流动止。
表1  用于扩展率测试的助焊剂描述 卤素含量（以Cl 计，wt ％）
活性水平分类 序号
焊剂组成（wt ％） GB9491 J-STD-004A GB9491 J-STD-004A S-1
松香：25，异丙醇：75 0.0 0.0 R RoL0 S-2
松香：25，二乙胺盐酸盐：0.15，异丙醇：74.85 0.049 0.193 R RoL1 S-3
松香：25，二乙胺盐酸盐：0.39，异丙醇：74.61 0.126 0.498 RMA RoL1 S-4
松香：25，二乙胺盐酸盐：0.80，异丙醇：74.20 0.259 1.00 RA RoM1 备注 1）S-1、S-2与S-3焊剂是传统的标准焊剂；2）卤素含量GB9491是以整个助焊
剂为分母来计算的，而J-STD-004A 则是以焊剂中的固体部分为分母来计算的。
4 结果与讨论
4.1 焊料球的制备
为了获得与0.3克焊料环相近的焊料球，本研究选择了两种材料制作印刷锡膏的模板，分别是1.71mm 厚度的环氧树脂光板和厚度为0.80mm 的铝板，由于模板越厚孔径越小锡膏印刷越困难，考虑到好印
刷以保证焊球大小的一致性，模板开口直径分别4、6、10mm 和6、9、10mm 。焊料球研制的情况汇总表2，根据表1的结果，选择厚度为0.8mm 孔径为Ф10mm 的铝板为印刷模板来制作焊料球，控制焊锡膏的印刷质量，回流后可获得质量约0.3克的标准焊料球，均匀性以及球形都非常好（见图2）。
表2 制备焊料球的优化试验结果 锡球质量（g ） 印刷模版
孔径尺寸 （Ф，mm ） SAC305 Sn63Pb37 4 0.0198 0.0172 0.0432 0.0550 6 0.1191 0.1198 0.1538 0.1498 环氧树脂板
（厚度d ：1.71mm ）
10 0.4426 0.4235 0.5030 0.5143 6 0.1039 0.1092 0.1318 0.1511 9 0.1928 0.2470 0.2312 0.2345 铝板
（厚度d ：0.80mm ）
10 0.2991 0.3339 0.3103 0.3209 备      注 使用的焊锡膏：1）Sn63Pb37：金属含量90.0wt ％；2）SAC305：金
属含量88.8wt ％
图2 获得的用于扩展率测试的焊料球（右边光亮的为SnPb球，左边的为SAC305球）
4.2 扩展率试验
利用上述方法获得的焊料球和标准的焊料环分别进行扩展率试验，使用不同活性的助焊剂，可得到不同的扩展率结果（见图3～图4）。无论是使用有铅焊料还是无铅焊料，试样为焊料环的扩展率都要高于焊料球的，从理论上讲，焊料环本身的高度就已经低于焊料球的直径，也就是说焊料即使没有熔化铺展就已经有一个基础的扩展率值在那里了，而焊料球熔化形成焊点前几乎是没有铺展的，所以当焊料熔化后，焊料环铺展的面积自然要大，相应地焊点高度（h）就变小，而焊料球则从完全没有铺展到最后的铺展，因此结果要偏低。对于锡铅合金，在扩展率低于90％时，使用焊料环与焊料球得到的结果差异逐渐扩大；而对于无铅合金，扩展率大于76％以后，二者差距更大，达到7％～4％。从试验的过程来看，由于
图3 锡铅焊料的扩展率试验结果
无铅焊料的熔点较高，而当它是一个焊料球的时候，焊料球与铜片试样只有一个接触点，加热高温时需要更长的时间，热量才能传导到焊料球致使其熔融扩展，这个过程中，助焊剂的
活性物质可能由于更长时间的高温而挥发或分解，导致助焊剂的活性或助焊性能下降，最终引起扩展率偏低。而焊料环则由于与铜试片的接触面积大，加热焊接时热传导效率高而快速熔融，使得其扩展率要高于前者。
图4 无铅焊料的扩展率试验结果
由以上结果和分析可见，使用锡铅焊料来进行测试，使用焊料环的扩展率的结果要较为接近使用焊料球的，而对于无铅焊料环而言，其测试得到的助焊剂的扩展率是明显偏大的，从扩展率的定义来看，无疑使用焊料球来进行测试扩展率更加符合实际情况，毕竟使用焊料环时假定它是一个球，而实际情况却并非如此。原来的标准在测试扩展率的时候使用焊料环而不是焊料球，估计原因是原来不容易得到符合要求的焊料球。通过上面的扩展率测试，同时还可以看出，当焊接温度较高时，助焊剂需要提高其热稳定性，才能确保在更高的焊接过程中有很好的活性。因此，无铅的助焊剂需要在现有的锡铅用助焊剂的基础上做进一步的改良，才能满足无铅工艺的需求。另外，比较图3与图4中的结果我们还可以得到这样的结论：使用同样活性的助焊剂，无铅焊料（SAC305）的润湿性以扩展率表示，要低于共晶的锡铅合金焊料5～10％。因此，在导入无铅工艺的时候，需要更严格的确保元器件与PCB焊盘的可焊性，同时选择活性更强的高温稳定性更好的无铅助焊剂，才能确保无铅焊接的质量与可靠性。
结论
本文按照扩展率定义的原理，对原来标准规定的扩展率测试方法进行研究改进，利用焊料球代替焊料环来进行扩展率测试。结果发现，原来使用焊料环进行测试而计算时又假定它是一个球的做法所得到
的结果与直接使用焊料球进行测试得到的结果有明显的差异，当使用锡铅共晶焊料时得到扩展率值小于90％，差异逐渐扩大。而对于无铅焊料的焊接，扩展率大于76％时，二者的误差在4～7％。而直接使用焊料球进行扩展率的测试无疑更接近实际情况，因此，建议在修订扩展率测试方法的标准时，用焊料球取代焊料环。
同时本文还研究了标准焊料球的制备条件，即选择厚度为0.8mm孔径为Ф10mm的铝板为印刷模板，印刷标准合金的焊锡膏并控制焊锡膏的印刷质量，回流后可获得质量约0.3克的标准焊料球。