液态钎料润湿固体母材的效果分析

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：由于固体的表面亥姆霍兹自由能、固-液界面亥姆霍兹自由能尚无合适的测定方法，但通过接触角，即可判断一种液体对固体的润湿性。杨氏方程虽然可以对钎焊过程进行近似的描述，杨氏方程也可以从能量和力学的角度在平衡条件下推导，但必须指出的是，在钎焊过程中，液态钎料和固态母材界面会发生相互作用，在这种情况下进行的表面润湿、铺展就更为复杂。4）在液态钎料组元和母材组元之间的化学反应。

从热力学的角度来看，润湿是指一种流体从固体表面置换另一种流体，从而使体系的亥姆霍兹自由能降低的过程。对于钎料的润湿过程来说，也就是液态钎料与母材接触时，钎料将母材表面的气体排开，沿母材表面铺展，形成新的固体-液体界面的过程。

在钎料铺展过程中，假定体系的温度、压力和组成均不发生变化，在不考虑重力做功的条件下，体系总的亥姆霍兹自由能变化仅取决于表面亥姆霍兹自由能的变化。设固-气、液-气、固-液三相界面的比表面亥姆霍兹自由能分别为σ_SV、σ_LV、σ_SL，θ为润湿角（图3-1-2），则上述过程的亥姆霍兹自由能变化可由式（3-1-1）表示，即

dG=σ_SVdA_SL-σ_SLdA_SL-σ_LVdA_LV （3-1-1）

而液-气界面面积增量（dA_LV）为

dA_LV=dA_SLcos（θ+dθ）=dA_SLcosθ（dθ<θ）（3-1-2）

图3-1-2 铺展过程示意图

当系统达到平衡时，dG=0，并将式（3-1-2）代入式（3-1-1）

则有

这就是著名的杨氏方程，它描述了液体在固体表面铺展、达到平衡时接触角和各表面亥姆霍兹自由能之间的关系。由于固体的表面亥姆霍兹自由能、固-液界面亥姆霍兹自由能尚无合适的测定方法，但通过接触角，即可判断一种液体对固体的润湿性。

当θ=0°时，称为完全润湿；当0°<θ<90°时，称为润湿，当90°<θ<180°时，称为不润湿；当θ=180°时，称为完全不润湿。

杨氏方程虽然可以对钎焊过程进行近似的描述，杨氏方程也可以从能量和力学的角度在平衡条件下推导，但必须指出的是，在钎焊过程中，液态钎料和固态母材界面会发生相互作用，在这种情况下进行的表面润湿、铺展就更为复杂。另一方面，从力平衡的角度来看，杨氏方程是不完整的，它没有考虑垂直方向的力的平衡问题。如在SMT（Surface Mount Technology）组装过程出现的“曼哈顿”（Manhatten effects）现象（图3-1-3），对于A点，如果元器件在重力作用下产生的力矩和水平方向表面张力分量产生的力矩满足式（3-1-4），则不会产生“曼哈顿”现象，否则元器件会发生向右的侧倾。这个例子从侧面说明杨氏方程本身就是不完整的。

图3-1-3 产生“曼哈顿”现象示意图

在实际的钎焊过程中，有时还会涉及液态钎料的铺展快慢问题，即铺展动力学，它对钎缝是否产生缺陷有极大的影响。

当放一小滴液滴在可润湿的固态母材上时，在不考虑固-液界面存在相互作用时，三点线（Triple Point Line，TPL）的位置随时间的变化关系可用式（3-1-5）描述：

对式（3-1-5）求导，可得

式中 V₀——常数；

η——液体的粘度，单位为Pa·s；

t——时间，单位为s。

式（3-1-6）表明，液体的铺展速率只和液体的表面张力、粘度有关。表面张力越大，铺展速率越大；粘度越大，铺展速率越慢。在液体铺展初期，铺展速率极大，随时间的延长，铺展速率以指数规律迅速降低。

钎焊时润湿铺展过程远比式（3-1-6）表示的润湿动力学复杂得多，除了以上粘度控制的毛细力作用下的流动之外，还包括如下影响因素：

1）液态钎料组元在母材表面的扩散。

2）母材溶解进入液态钎料。

3）液态钎料扩散进入母材。

4）在液态钎料组元和母材组元之间的化学反应。

所有这些因素都将对润湿动力学产生影响。如用Cu-P钎料钎焊铜、Al-Si钎料钎焊铝、Ni基钎料钎焊高温合金表现出溶解润湿动力学特征；而用Sn基钎料钎焊铜，却显示扩散控制的润湿动力学特征；陶瓷活性钎焊则显示出反应控制的典型特点。一般来说，对于确定的钎料—母材体系，都有几种机制作用，这就使润湿、铺展问题异常复杂，建立润湿动力学模型也就非常困难。对于这方面的研究还处于不断发展、完善的过程中。

液态钎料润湿固体母材的效果分析

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