摘要：本文從表面張力對軟釬焊工藝的影響開始，深入探討了表面活性劑的作用及其幫助焊接的工作原理，以及表面活性劑在助焊劑中的應用及要求，并分析了因為浸潤不當而造成焊接不良的幾種狀況。
關鍵詞：表面張力 軟釬焊 表面活性劑 助焊劑 浸潤
在軟釬焊工藝中，影響焊接質量的原因是很多的，焊料不能充分浸潤是影響焊點質量的一個重要原因，也是比較難以解決的一種狀況。表面張力是影響焊料浸潤的主要原因，在焊接過程中，助焊劑可以降低熔融焊料的表面張力，而表面活性劑作為助焊劑中的重要組成部分，它是如何工作的？它的原理是什么？常見的浸潤不良是怎樣引起的、表現為哪些焊接缺陷等？針對這些問題本文將展開全面的論述。
一，關于表面張力
（一），表面張力的概念
物質相與相之間的分介面稱之為界面，包括氣-液、氣-固、液-液、固-固、固-液五種。其中包含氣相的界面叫表面，即有液體表面和固體表面兩種。
表面張力在液體物質中的表現尤為明顯，液體內部的每個分子都處在其它分子的包圍之中，被平均的吸引力所吸引，呈平衡狀態。但是，液體表面的分子則不然，其上部有一個異質層，該層的分子密度小，平均承受垂直于液面、方向指向液體內部的引力。其結果，使得液體表面分子產生聚集力，從而導致液體表面積收縮到*小，呈球狀（在體積相同的情況下，表面積*小的形狀是球型）（見圖一）。

透過上述分析可以看出，所有物質表面自行收縮的力是表面自由能的作用，這個能就叫做表面張力或表面能，這種現象叫做表面張力現象。
（二），表面張力對軟釬焊的影響
在軟釬焊過程中，焊料呈現出固態到液態再到固態的過程，并完成焊接工作，在液態焊料與固態基材接觸時，所表現出來的表面張力是相當大的，如果不能有效降低液態焊料的表面張力，在焊接后段，即焊料由液態轉化為固態焊點的時候，所表現出的形狀應該是球型，而不具備適合要求的潤濕角，同時不能鋪滿焊盤或不能鋪展、浸潤至所需焊接的部位，這是一種典型的焊接不良狀況，通常稱之為潤濕不良。
潤濕不良主要是因為表面張力的存在，無論是在焊錫絲焊接還是手浸焊、波峰焊或者是焊錫膏的熱風回流焊等，在所有的軟釬焊工藝中都有可能發生。（因為表面張力作用造成的焊接浸潤不良，見圖二實物及圖三示意圖）

二，表面活性劑的概念及其工作原理
（一）、表面活性劑的概念：
表面活性劑具有兩個特性：第一，能活躍于其他物質表面；第二，改變其他物質表面張力。因此可以將表面活性劑定義為：能活躍于其他物質表面具有極高降低表面張力能力和效率的一類物質。
表面活性劑在一定濃度的溶液中能形成分子有序組合體，從而具有一系列應用功能；所以很低的濃度或很小的用量，就能顯著地降低溶劑或其他液態物質表面張力。（以HUAXIA公司ST表面活性劑的實驗對照效果，見圖四）

（二）、表面活性劑的結構及其工作原理：
表面活性劑都是由溶劑可溶性和溶劑不溶性兩部分組成，這兩部分處于分子的兩端，形成不對稱結構（見圖五）。表面活性劑顯著降低表面張力正是由這種結構決定的。

以在水基溶劑中的作用來概述表面活性劑的工作原理，親水基團使分子有進入水的傾向，而疏水基團則竭力阻止其在水中溶解，而從水的內部向外遷移，有逃逸水相的傾向，這兩種傾向平衡的結果使表面活性劑在水表富集，親水基伸向水中，疏水基伸向空氣，結果是水表面好像被一層非極性的碳氫鏈所覆蓋，從而導致水的表面張力下降。
表面活性劑在界面富集吸附一般的單分子層，當表面吸附達到飽和時，表面活性劑分子不能在表面繼續富集，而疏水基的疏水作用仍竭力促使基分子逃離水環境，于是表面活性劑分子則在溶液內部自聚，即疏水基在一起形成內核，親水基朝外與水接觸，形成*簡單的膠團。開始形成膠團時表面活性劑的濃度稱之為臨界膠束濃度，簡稱cmc。
當溶液達到臨界膠束濃度時，溶液的表面張力降至*低值 ，此時再提高表面活性劑濃度，溶液表面張力不再降低而是大量形成膠團，此時溶液的表面張力就是該表面活性劑能達到的*小表面張力，用rcmc表示。
三，表面活性劑在軟釬焊中的作用：
（一）、軟釬焊的焊接原理及焊點要求
通常將焊接溫度低于450℃，且母材不熔化只有焊料熔化，通過物理結合形成良好的釬焊接頭，這樣的焊接方式稱之為軟釬焊。
在軟釬焊過程中，必備的釬焊條件主要有兩個方面：一，被焊接物表面必須潔凈（無氧化層或異物）；二，熔化的焊料必須被充分浸潤，然后充分流動并完全填塞于金屬接合面之間，同時形成具有一定強度、并有著良好潤濕角的焊點（通常情況下，焊點潤濕角在30-450左右為宜，見圖六）。

（二）、表面活性劑對焊料的浸潤原理
熔融態焊料的表面張力是影響焊接質量的重要因素，但是，因為表面張力是一種物理特性，所以在實際操作中，我們只能改變它而不能完全消除它。在軟釬焊過程中，降低焊料表面張力的同時，就可以提高焊料的潤濕能力，從而達到良好的焊接效果。
降低焊料表面張力并不是只有依靠表面活性劑的作用這一種方法，但表面活性劑的使用是比較常見且比較有效的一種方法，除此以外，還可以通過其他辦法降低表面張力達到增強潤濕的效果，比如：提升焊料的工作溫度（表面張力一般會隨著溫度的升高而降低）、增強活性成份的效果徹底去除基材及焊料表面的氧化層、采用氣體保護等。
在軟釬焊過程中，經過表面活性劑的作用，助焊劑對焊料起潤濕是在三個力的作用下形成的。當這三個力呈平衡狀態時，焊料就會呈現出一定的擴散,表現出潤濕狀態。（參照圖七分析）

固體(基材)和液體(液態焊料、助焊劑)之間的潤濕情況，一般可由眾所周知的揚式（YOUNG）公式來表示：
B = C + A.cosθ————①
上式中:B(Bsv)——固體金屬（基材）和焊劑之間的界面張力
C(Csl)——熔化焊料和固體金屬（基材）之間的界面張力
A(Alv)——熔化焊料和空氣之間的界面張力
θ——焊料附在固體金屬（基材）上的接觸角。
由①式可得出：



由②式可看出，A越接近B 或 C 越小…接觸角θ也就越小…。
四、表面活性劑在電子化學品中的應用
（一）、表面活性劑在助焊劑（包括焊錫膏助焊劑）中的應用
在軟釬焊的整個過程中，助焊劑通過自身活化物質作用，去除焊接材質表面的氧化層，同時使錫液與被焊材質之間的表面張力減小，增強錫液流動及浸潤性能，完全填塞焊縫并形成焊點。這是助焊劑在焊接過程中的作用，也是助焊劑的工作原理。我們將助焊劑的主要組份分成溶劑、活化劑、表面活性劑、載體及其他添加劑這樣五大類，其中比較重要的兩個部分是活化劑和表面活性劑，這可以通過助焊劑的工作原理看出來。
目前常用的高效氟碳類表面活性劑，因為成本較高以及多呈膠固態的狀況，一般在使用時需稀釋后添加，稀釋后的表面活性劑很容易進入到整個體系，并且迅速溶解并能完全均勻分布。按照供應商提供的使用建議，一般用異丙醇先將此類表面活性劑稀釋為10%左右溶液，然后按照供應商的建議或者根據產品實際需要的添加量進行添加，在整個配比的過程中，表面活性劑一般是*后加入到整個配方體系，且一般不與活化劑或其他物質同時添加，以液體助焊劑為例，常見的添加順序為：“溶劑——松香（樹脂）——活化劑——其他添加劑等——表面活性劑”。
通過對表面活性劑的作用及其工作原理分析，在實際的使用過程中，助焊劑（包括焊錫膏助焊劑）對表面活性劑的要求有以下幾點：
1、具有較強的表面活性效果，能夠在極小的添加量時，表現出較高的浸潤效果。
2、焊后無殘留，或殘留物不能分解成導電離子狀態。這一點是比較重要的，一般表面活性劑（或胺鹵素類產品）比較容易分解成導電離子，并在板面形成離子狀殘留，既有可能造成后續腐蝕也可能會影響產品的電氣性能。ST高效表面活性劑，為氟碳聚合產品，因為添加量極小，且在焊后迅速分解以揮發或升華等方式流走，并不能在板面形成不可靠的殘留物。
3、具有較好的熱穩定性。這是因為助焊劑開始對焊料起浸潤作用，一般從焊料熔融時開始，而焊料熔融必須達到焊料的固相線以上溫度，錫鉛焊料在183℃左右，而無鉛焊料更是達到212℃左右。這就對表面活性劑的耐熱性能要求比較高，一般表面活性劑在200℃時就會分解，而ST系列表面活性劑在正常的焊接溫度下(大于260℃)，依然能穩定存在（參照表一）。

4、具有較好的化學穩定性。較好的化學穩定性，決定了表面活性劑在整個配方體系中的穩定性，以及與其他物質（如活化劑、添加劑等）的配伍性；通過實驗證明，氟碳類表面活性劑與助焊劑常用的有機活化劑或其他添加劑都能夠很好地配伍，不會破壞整個配方體系的穩定性與可靠性。
5、表面活性劑不能或只能具有較弱的活化性能。表面活性劑的重要作用是對熔融態焊料起到浸潤作用，而不是去除被焊基材表面的氧化層，所以表面活性可以不具備較強的活化性能。較強的活性在焊接過程中，會與焊料起反應，特別是在焊錫膏助焊劑中使用時，較強的活化物質會與錫粉表層發生反應，從而影響焊接質量。（雖然這一點有些活化劑的影響更大，但表面活性劑不需要具備活化性能也是很重要的。）
6、具有較合理的使用成本。目前，高效氟碳表面活性劑的價格較高，平均價位在600元左右/磅；以液體助焊劑為例，依照供應商提供的添加方法，平均添加量控制在0.5-1.5 ‰之間，添加成本約在0.7-2.0元/公斤助焊劑，這樣的成本在中高檔助焊劑中是可以接受的。如果價位更高的表面活性劑或者添加量更大的使用方法，會造成助焊劑成本的增加。
（二）、軟釬焊中常見的浸潤不良原因分析：
1、DIP等常規焊接中的浸潤不良：
在使用液體焊劑的焊接工藝中（包括波峰焊、手浸焊等），常見的浸潤不良會導致焊點虛焊（見圖八），另外可造成焊盤吃錫不滿、管腳夾錫、焊點橋接等狀況。當然焊接中的此類不良往往和焊接溫度、焊接方式等有關系，單從助焊劑的浸潤方面來講有三個方面的可能：一方面可能是表面活性劑添加量過小，未能起到充分的浸潤作用；另一方面可能是添加的表面活性劑并不適當，不能夠起到足夠的浸潤作用；還有一個可能是表面活性劑在使用過程中因工作溫度較高而過早地失去了浸潤的作用。

2、SMT中的浸潤不良：
在SMT生產中，元器件是放置在錫膏之上，錫膏熔化的瞬間所形成的表面張力會作用在元器件兩端，因為片式元件重量極輕，如果元件兩端所受的表面張力不一致，極有可能造成豎碑的現象（見圖九）。當然，出現豎碑現象的原因遠不止浸潤不良這一個方面，還可能因為焊盤面積大小不同，導致元件兩端錫膏熔化時間不一致，在元件兩端出現了“溫度梯度”等。良好的表面活性劑，能夠*大限度地降低熔融態焊料的表面張力，并使兩端受力趨于平衡，從而避免豎碑現象的出現。另外潤濕不良還會造成焊點吃錫不滿、錫焊料不能有效爬升、滲透等不良狀況。

3、關于斷續潤濕的狀況
焊料膜的斷續潤濕是指有水或其他油污出現在基材表面，在熔化的焊料覆蓋層下隱藏著某些未被潤濕的點，因此，熔化的焊料在焊接基材表面會有斷續潤濕現象出現。不充分的浸潤會使焊料在基材表面不能充分流動和浸潤，使焊料發生收縮，往往在焊盤表面的焊料會聚成小球或者脊狀禿起物。（見圖十示意圖）

當然，斷續潤濕也能由部件與熔化的焊料相接觸時放出的氣體而引起，這種氣體更多的時候是由于有機物的熱分解或無機物的水合作用而釋放的。
在實際焊接工藝中，較高的焊接溫度和較長的停留時間會導致更為嚴重的斷續潤濕現象，排除溫度等工藝原因，以及基材的污染狀況，焊劑的表面活性是否充分發揮了作用或者所選用的表面活性劑是否合適等，也是值得考評的一個問題點。
通常，消除斷續潤濕狀況的對策有：增強焊劑表面活性成分、降低焊接溫度、縮短軟熔的停留時間、采用流動的惰性氣氛、降低污染程度等幾種方法。
4、OSP對焊點浸潤的影響
近年來，特別是在軟釬焊行業推行無鉛化以來，OSP在PCB行業推行的越來越廣泛，但是，目前國內的一些產品并未完全克服一定的技術難關，因此在焊接過程中，涉及OSP處理方面的不良狀況也越來越多。
OSP中文名稱為“有機保護劑”，它對PCB起到保護和防氧化作用的機理這樣的，在OSP中有“苯基三連唑BTA”一類的物質，它能夠與焊盤表面金屬銅發生化學反應，在銅面上覆蓋一層有機保護膜（平均厚度可由0.35-14µm），該有機保護膜具有強抗熱、耐濕處理性能，并因此起到對PCB表層的防氧化作用。（關于OSP保護層的優劣及其實物質量對照，參照圖十一）

根據OSP的設計原理可以看出，在銅焊盤的表面要形成一個有機保護層，而這個保護層是要在焊接前（進入焊接區以前）必須有效去除的，去除這個保護層的物質主要是助焊劑中的活性劑。實際情況正如某些OSP商家宣傳的“抗氧化皮膜的耐熱、耐濕性絕緣性優”，那么可以想象，在焊接過程中，助焊劑首先要去除這個保護層，這在個過程中，表面活性劑是保證助焊劑能夠在這個保護層上均勻分布并充分浸潤的關鍵。目前常見的不良，一方面是不能有效完會去除這個保護層，另一方面是可以完會去除這個防氧化保護層，但是在這個過程中，助焊劑中的活化劑和表面活性劑均會不同程度地流失，因此造成焊接效果不理想。常見的不良有虛焊、空焊、吃錫效果不好等，這些不良的出現，從很大程度上來講就是助焊劑不能充分浸潤的結果。除上述焊接不良以外，OSP在焊接過程中（特別是貼插混裝板材），經過多次熱擊后，在基材表面所形成的不易去除“保護層（或氧化層）”更是影響焊料充分浸潤的主要原因。
當然，在此只是探討表面活性劑在焊接過程中的應用，因此，更多地是從助焊和焊料潤濕等方面進行一些淺顯探討，并不是針對OSP工藝全部的技術缺陷來講，相信隨著國內技術水平的不斷提升，當前常見的OSP工藝方面的不良狀況也會隨之解決。
五、結論
當前，國產助焊劑與國外產品的技術差距越來越小，但是更小的差距，并不能說明我們在快速超越國外技術，國內廠家研究助焊劑更多地是將注意力集中在某幾個配方性能改進和不斷降低的成本要求上，國外廠家則更多地對助焊劑核心材料（比如表面活性劑、活化劑的應用）進行研究。所以，國外焊劑技術的成長是有著較好底蘊的良性提升。誠如一個在市場銷售時常見的現象，國內廠家助焊劑在上錫速度、上錫性能等方面，可能都比國外某些知名品牌優越，但是在電氣性能、安全可靠性方面卻相差太遠；這恰恰說明，以顯著的短期經濟利益為趨動力的技術研發不具備成長潛力，也是沒有前途的研發，*終，還是有意無意地走向拿來主義的老路。
經過上述的分析，在軟釬焊過程中，焊料的充分潤濕是保證焊接質量重要的環節；無論采用什么樣的焊接方式，助焊劑所起到的作用都是不可或缺的；助焊劑中的表面活性劑又是核心材料，表面活性劑的性能優劣及使用方式是否得當，都會影響助焊劑的助焊效果。隨著表面活性劑技術的不斷提升，氟碳類表面活性劑在助焊劑中的應用也不斷深入，正確地選擇、合適的配比，是確保一款助焊劑性能重要因素。
隨著高效表面活性劑在軟釬焊中的應用的不斷深入，國內廠商應該有更多、更廣泛地研究，期待著國內技術不斷提升，讓軟釬焊質量得到更為可靠的保障！