焊料合金的润湿性分析

东南大学材料科学与工程

实验报告

学生姓名XXXXX 班级学号XXXXX 实验日2013.12.17 批改教师

课程名称材料性能测试（1）批改日期

实验名称焊料合金的金属润湿性能分析实验报告成绩

小组成员XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX

一、实验目的

1、通过对焊料合金进行润湿性能的实验分析，了解金属熔体在固态金属表面的润湿原理，掌握铺

展性测试方法。

2、通过不同的铺展实验，了解影响合金润湿性的因素。

二、实验原理及方法

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<θ<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：

0cos =+-θγγ

γlv

sv

sl

（1）

γsl

为固液界面能；

γ

sv

为固/气界面能，及固体自由表面的表面能； γ

lv

为液/气界面能，即液体表面能；

即 γ

γγθlv

sl

sv

-=cos （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:

σ

σσθlv

sl

sv

-=cos (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

S

R

来衡量焊料的润湿性能。

%100⨯-=

D

H

D S R (2-4) 式中：

S

R

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S R 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。

根据公式

%100⨯-=

D

H

D S R 分别计算Sn-37Pb 铺展系数

S

R

1和Sn-42Bi-3Zn 铺展系数

S

R

2，

Sn-10Pb-2.5Cu 的铺展系数

S

R 3，结果如上表所示。

由所求得的铺展系数比较可知，

S

R 1>

S

R 2>

S

R 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