在PCBA(Printed Circuit Board Assembly)焊接過程中，焊料的表面張力和黏度是兩個關(guān)鍵的物理特性，直接影響焊料的潤濕性、鋪展性和填充性，進(jìn)而決定了焊接質(zhì)量和良率。高表面張力和高黏度會導(dǎo)致焊料潤濕不良、漏焊、橋接、立碑等焊接缺陷，而低表面張力和低黏度的焊料則能夠更好地浸潤焊接表面，形成飽滿、光亮的焊點(diǎn)。本文將從表面張力和黏度的基本原理出發(fā)，深入探討其對PCBA焊接的影響機(jī)制，并詳細(xì)介紹降低表面張力和黏度的具體措施，幫助電子制造企業(yè)提升焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

一、表面張力與黏度的基本原理及對焊接的影響

表面張力的基本原理

表面張力是指液體表面分子之間的吸引力，使得液體表面總是趨向于最小化。從微觀角度來看，液體內(nèi)部的分子受到周圍分子的吸引力是平衡的，而液體表面的分子只受到下方和側(cè)面分子的吸引力，因此會產(chǎn)生一種收縮力，使液體表面呈現(xiàn)出緊繃的狀態(tài)。

表面張力的大小通常用單位長度上的力來表示，單位為N/m(牛頓/米)或mN/m(毫牛頓/米)。液體的表面張力與溫度、成分、純度等因素有關(guān)，溫度越高，表面張力越小;成分越復(fù)雜，表面張力也會相應(yīng)變化。

黏度的基本原理

黏度是指液體內(nèi)部的摩擦力，衡量的是液體流動的阻力大小。從微觀角度來看，黏度是由液體分子之間的內(nèi)聚力和分子的熱運(yùn)動共同決定的。當(dāng)液體流動時，不同層之間的分子會相互牽制，導(dǎo)致流動速度不同，從而產(chǎn)生摩擦阻力。

黏度的大小通常用動力黏度來表示，單位為Pa·s(帕斯卡·秒)或mPa·s(毫帕斯卡·秒)。液體的黏度與溫度、成分、壓力等因素有關(guān)，溫度越高，黏度越小;成分越復(fù)雜，黏度也會相應(yīng)變化。

表面張力與黏度對焊接的影響

在PCBA焊接過程中，表面張力和黏度對焊接質(zhì)量的影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

潤濕性：潤濕性是指焊料在焊接表面的鋪展能力，直接影響焊點(diǎn)的形成。高表面張力會導(dǎo)致焊料在焊接表面收縮，形成球狀，無法充分鋪展，從而導(dǎo)致潤濕不良、漏焊等缺陷;低表面張力則能夠使焊料更好地鋪展，形成飽滿的焊點(diǎn)。

鋪展性：鋪展性是指焊料在焊接表面的擴(kuò)散能力，直接影響焊點(diǎn)的大小和形狀。高黏度會導(dǎo)致焊料流動緩慢，無法充分?jǐn)U散，從而導(dǎo)致焊點(diǎn)過小、不飽滿等缺陷;低黏度則能夠使焊料更好地?cái)U(kuò)散，形成合適大小和形狀的焊點(diǎn)。

填充性：填充性是指焊料填充焊接間隙的能力，直接影響焊點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度和電氣性能。高黏度會導(dǎo)致焊料無法充分填充焊接間隙，從而導(dǎo)致焊點(diǎn)虛焊、強(qiáng)度不足等缺陷;低黏度則能夠使焊料更好地填充焊接間隙，形成牢固的焊點(diǎn)。

自定位效應(yīng)：在SMT(Surface Mount Technology)回流焊過程中，平衡的表面張力會產(chǎn)生自定位效應(yīng)，當(dāng)元器件貼放位置有少量偏離時，在表面張力的作用下，元器件能自動被拉回到近似目標(biāo)位置，從而提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。但如果表面張力不平衡，則會導(dǎo)致元件位置偏移、立碑、橋接等焊接缺陷。

二、降低表面張力和黏度的核心措施

提高焊接溫度

提高焊接溫度是降低表面張力和黏度最直接、最有效的措施之一。從物理原理來看，溫度升高會增加熔融焊料內(nèi)分子的動能，減小分子間的引力，從而降低表面張力和黏度。

具體來說，溫度升高對表面張力和黏度的影響機(jī)制如下：

分子間距增大：溫度升高會使液體分子的動能增加，分子間的距離增大，從而減小分子間的引力，降低表面張力。

分子熱運(yùn)動增強(qiáng)：溫度升高會使液體分子的熱運(yùn)動增強(qiáng)，分子間的摩擦力減小，從而降低黏度。

在實(shí)際生產(chǎn)中，提高焊接溫度需要根據(jù)焊料的類型和成分來確定，一般來說，Sn-Pb焊料的焊接溫度為230℃~250℃，無鉛焊料的焊接溫度為250℃~270℃。需要注意的是，焊接溫度不能過高，否則會導(dǎo)致焊料氧化加劇、元器件過熱損壞等問題。

調(diào)整金屬合金比例

焊料的成分和比例是影響表面張力和黏度的重要因素。不同金屬元素的表面張力和黏度不同，通過調(diào)整金屬合金比例，可以有效降低焊料的表面張力和黏度。

以Sn-Pb焊料為例，純錫(Sn)的表面張力較大，而鉛(Pb)的表面張力較小，通過增加鉛的含量，可以降低焊料的表面張力。具體來說，當(dāng)Sn-Pb焊料中Pb的含量達(dá)到37%時，表面張力明顯減小，此時的焊料成分被稱為共晶焊料(Sn63/Pb37)，具有最低的熔點(diǎn)(183℃)和最優(yōu)的焊接性能。

對于無鉛焊料，由于環(huán)保要求不能使用鉛，通常采用Sn-Ag-Cu(SAC)系焊料。其中，Ag的表面張力較大，而Cu的表面張力較小，通過調(diào)整Ag和Cu的含量，可以降低焊料的表面張力。一般來說，SAC305(Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5)是目前應(yīng)用最廣泛的無鉛焊料，具有較好的焊接性能。

增加活性劑

活性劑是焊膏或助焊劑中的一種重要成分，能夠有效降低焊料的表面張力，同時去除焊料和焊接表面的氧化層，提高潤濕性。

活性劑的作用機(jī)制主要包括以下幾個方面：

降低表面張力：活性劑分子能夠吸附在焊料表面，降低表面分子之間的引力，從而減小表面張力。

去除氧化層：活性劑能夠與焊料和焊接表面的氧化層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成揮發(fā)性物質(zhì)或溶于助焊劑的化合物，從而去除氧化層，提高潤濕性。

形成保護(hù)膜：活性劑在焊接過程中會形成一層保護(hù)膜，防止焊料和焊接表面在高溫下再次氧化。

在選擇活性劑時，需要考慮其活性、揮發(fā)性、腐蝕性等因素。一般來說，松香類活性劑具有較好的活性和揮發(fā)性，腐蝕性較小，是目前應(yīng)用最廣泛的活性劑類型;而鹵化物類活性劑雖然活性較強(qiáng)，但腐蝕性較大，需要謹(jǐn)慎使用。

改善焊接環(huán)境

焊接環(huán)境對焊料的表面張力和黏度也有重要影響，主要體現(xiàn)在氧化程度和氣體壓力兩個方面。在高溫焊接過程中，焊料和焊接表面容易氧化，形成氧化層，從而增加表面張力，降低潤濕性;而在惰性氣體或真空環(huán)境下焊接，可以減少氧化，提高潤濕性，降低表面張力。

具體來說，改善焊接環(huán)境的措施主要包括以下兩種：

氮?dú)獗Ｗo(hù)焊接：氮?dú)獗Ｗo(hù)焊接是指在焊接過程中，用氮?dú)馓娲諝庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，減少焊料和焊接表面的氧化。氮?dú)馐且环N惰性氣體，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不會與焊料和焊接表面發(fā)生反應(yīng)，能夠有效防止氧化，提高潤濕性，降低表面張力。

真空焊接：真空焊接是指在焊接過程中，將焊接環(huán)境抽成真空，減少焊料和焊接表面的氧化。真空環(huán)境下沒有氧氣，能夠徹底防止氧化，同時還能夠降低氣體壓力，減小焊料的表面張力，提高潤濕性和鋪展性。

優(yōu)化設(shè)備參數(shù)

除了上述措施外，還可以通過優(yōu)化焊接設(shè)備參數(shù)來降低表面張力和黏度的影響。具體來說，主要包括以下幾個方面：

焊接速度：適當(dāng)降低焊接速度可以增加焊料在焊接表面的停留時間，使焊料有足夠的時間潤濕和鋪展，從而降低表面張力和黏度的影響。

焊接角度：適當(dāng)調(diào)整焊接角度可以使焊料更好地流向焊接間隙，提高填充性，從而降低表面張力和黏度的影響。

預(yù)熱溫度：適當(dāng)提高預(yù)熱溫度可以使焊接表面溫度升高，減小焊料與焊接表面的溫度差，從而降低表面張力和黏度的影響。

三、表面張力與黏度的平衡控制

表面張力與自定位效應(yīng)的平衡

如前所述，在SMT回流焊過程中，平衡的表面張力會產(chǎn)生自定位效應(yīng)，提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。但如果表面張力過低，則會導(dǎo)致自定位效應(yīng)減弱，無法有效糾正元器件貼放位置的偏差;而表面張力過高，則會導(dǎo)致焊料潤濕不良、漏焊等缺陷。因此，需要在降低表面張力和保留自定位效應(yīng)之間找到平衡。

具體來說，可以通過以下措施來實(shí)現(xiàn)表面張力與自定位效應(yīng)的平衡：

選擇合適的焊料成分：共晶焊料(Sn63/Pb37)或接近共晶成分的無鉛焊料具有適中的表面張力，能夠較好地平衡潤濕性能和自定位效應(yīng)。

優(yōu)化回流焊溫度曲線：通過調(diào)整回流焊溫度曲線，使焊料在熔融過程中保持適中的溫度，從而維持適中的表面張力。

控制貼裝精度：提高元器件貼裝精度可以減少表面張力自定位效應(yīng)的負(fù)擔(dān)，從而允許適當(dāng)降低表面張力，提高潤濕性能。

黏度與填充性的平衡

黏度過低會導(dǎo)致焊料在焊接間隙中流失，無法充分填充，從而降低焊點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度和電氣性能;而黏度過高則會導(dǎo)致焊料無法充分填充焊接間隙，形成虛焊、強(qiáng)度不足等缺陷。因此，需要在降低黏度和保證填充性之間找到平衡。

具體來說，可以通過以下措施來實(shí)現(xiàn)黏度與填充性的平衡：

選擇合適的焊料成分：焊料的成分和比例會影響其黏度，需要根據(jù)焊接間隙的大小和填充要求選擇合適的焊料成分。

優(yōu)化焊接溫度：適當(dāng)提高焊接溫度可以降低焊料的黏度，提高填充性;但溫度不能過高，否則會導(dǎo)致焊料流失。

增加焊料量：適當(dāng)增加焊料量可以保證焊料有足夠的體積填充焊接間隙，從而彌補(bǔ)低黏度導(dǎo)致的焊料流失問題。

四、實(shí)際生產(chǎn)中的工藝優(yōu)化案例

案例一：汽車電子PCB板焊接工藝優(yōu)化

某汽車電子企業(yè)生產(chǎn)的PCB板在焊接過程中出現(xiàn)了嚴(yán)重的橋接缺陷，導(dǎo)致產(chǎn)品良率僅為85%。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，該企業(yè)使用的是Sn-Pb共晶焊料，焊接溫度為235℃，助焊劑為普通松香類助焊劑。橋接缺陷主要發(fā)生在引腳間距為0.5mm的QFP(Quad Flat Package)芯片引腳之間，原因是焊料表面張力過高，導(dǎo)致焊料在引腳之間無法有效鋪展，形成橋接。

針對這個問題，企業(yè)采取了以下優(yōu)化措施：

提高焊接溫度：將焊接溫度提高到245℃，降低焊料的表面張力和黏度。

更換助焊劑：采用活性更強(qiáng)的含鹵化物類助焊劑，進(jìn)一步降低焊料的表面張力，去除氧化層。

優(yōu)化回流焊溫度曲線：增加預(yù)熱時間和預(yù)熱溫度，使焊接表面溫度更加均勻，提高焊料的潤濕性。

經(jīng)過優(yōu)化后，產(chǎn)品良率提升到了98%，橋接缺陷基本消除。

案例二：醫(yī)療設(shè)備PCB板焊接工藝優(yōu)化

某醫(yī)療設(shè)備企業(yè)生產(chǎn)的PCB板在焊接過程中出現(xiàn)了漏焊和潤濕不良缺陷，導(dǎo)致產(chǎn)品良率僅為82%。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，該企業(yè)使用的是無鉛焊料(SAC305)，焊接溫度為255℃，焊接環(huán)境為空氣環(huán)境。漏焊和潤濕不良缺陷主要發(fā)生在PCB板的BGA(Ball Grid Array)芯片和貼片電容引腳處，原因是焊料表面張力過高，潤濕性差，同時由于空氣環(huán)境下焊接氧化嚴(yán)重，進(jìn)一步降低了潤濕性。

針對這個問題，企業(yè)采取了以下優(yōu)化措施：

采用氮?dú)獗Ｗo(hù)焊接：將焊接環(huán)境改為氮?dú)獗Ｗo(hù)環(huán)境，氮?dú)饧兌葹?9.99%，減少焊料和焊接表面的氧化，提高潤濕性，降低表面張力。

調(diào)整焊膏成分：在焊膏中增加適量的活性劑，進(jìn)一步降低焊料的表面張力，去除氧化層。

優(yōu)化回流焊溫度曲線：增加回流時間和峰值溫度，使焊料有足夠的時間潤濕和鋪展。

經(jīng)過優(yōu)化后，產(chǎn)品良率提升到了97%，漏焊和潤濕不良缺陷基本消除。

PCBA焊接中的表面張力和黏度是影響焊接質(zhì)量的核心物理特性，直接關(guān)系到焊料的潤濕性、鋪展性和填充性。通過提高焊接溫度、調(diào)整金屬合金比例、增加活性劑、改善焊接環(huán)境、優(yōu)化設(shè)備參數(shù)等措施，可以有效降低焊料的表面張力和黏度，提高焊接質(zhì)量和良率。同時，還需要在降低表面張力和保留自定位效應(yīng)之間、在降低黏度和保證填充性之間找到平衡，實(shí)現(xiàn)焊接性能的最優(yōu)。

在實(shí)際生產(chǎn)中，企業(yè)需要根據(jù)自身的產(chǎn)品特點(diǎn)、焊接工藝和設(shè)備條件，結(jié)合表面張力和黏度的控制原理，制定個性化的工藝優(yōu)化方案，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和持續(xù)改進(jìn)，不斷提升焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。只有從根本上理解和控制表面張力和黏度，才能真正解決焊接缺陷問題，生產(chǎn)出高質(zhì)量、高可靠性的PCBA產(chǎn)品。