鄭家春，楊曉軍，雷永平，夏志東，郭 福

(北京工業(yè)大學 材料科學與工程學院，北京 100124)

焊接材料

復配表面活性劑對無鉛助焊劑潤濕性能影響的研究

鄭家春，楊曉軍，雷永平，夏志東，郭 福

(北京工業(yè)大學 材料科學與工程學院，北京 100124)

助焊劑中的表面活性劑對于降低熔融無鉛釬料的表面張力，增加無鉛釬料對母材的潤濕性具有重要作用。根據表面活性劑的HLB值和分子量，選取了四種不同類型的表面活性劑。以無水乙醇作溶劑，有機酸作活性劑，加入所選表面活性劑，并添加成膜劑、緩蝕劑等其他成分，配制成助焊劑，用于研究表面活性劑對無鉛釬料潤濕性能的影響。潤濕力測試及鋪展實驗結果表明，助焊劑中表面活性劑的種類和含量對無鉛釬料的潤濕性能影響較明顯，選用適宜的表面活性劑復配體系可以進一步提高助焊劑性能。

表面活性劑；無鉛釬料；助焊劑；潤濕性能

0 前言

現代電子行業(yè)的飛速發(fā)展對電子產品提出了越來越高的要求。眾所周知，鉛以及鉛的化合物損害健康、破壞環(huán)境，因此焊料無鉛化成為發(fā)展的趨勢。目前，市場上常見的無鉛釬料主要有Sn-Ag系、Sn-Cu系、Sn-Ag-Cu系，其中Sn-Ag-Cu系釬料具有良好的物理和機械性能，可焊性較好，被公認為最有可能替代Sn-Pb系合金的無鉛釬料[1-3]。但在研究和使用過程中發(fā)現，與傳統的 Sn-Pb系釬料相比，Sn-Ag-Cu系無鉛釬料潤濕性差，易氧化，且熔點高(Sn-Pb系釬料熔點為183℃)，其中無鉛釬料潤濕性差是釬料無鉛化面臨的一個重要問題。表面張力是影響熔融焊料浸潤的主要因素，在焊接過程中，助焊劑的主要作用之一是降低熔融焊料的表面張力。作為助焊劑重要組成部分的表面活性劑在助焊劑中的添加量雖然很小，但對降低釬料的表面張力和提高釬料潤濕性能的作用卻很關鍵，能夠確保熔融釬料在焊接母材表面順利擴展、流動、浸潤等，從而達到良好的焊接效果。降低焊料表面張力并不僅僅依靠表面活性劑這一種方法，但表面活性劑的使用是較為常見且有效的方法[4-6]。通常評價助焊劑潤濕性能的主要指標有最大潤濕力和潤濕時間，在實際生產中，助焊劑的潤濕力越大、潤濕時間越短，說明焊接過程中熔融焊料對母材的潤濕效果越好[7]。

目前，針對助焊劑中活化成分在釬焊過程中的作用和工作原理已經進行了大量的研究，然而關于助焊劑中表面活性劑的影響作用的研究還較少，徐冬霞、王東斌[8]等人曾就非離子表面活性劑對助焊劑潤濕性能的影響進行了研究，得出助焊劑中加入適量非離子表面活性劑能夠在一定程度上改善助焊劑的潤濕性；非離子表面活性劑的含量對鋪展面積和潤濕角的影響關系并非線性關系。但沒有涉及其他類型的表面活性劑和復配表面活性劑對助焊劑潤濕性能的影響。本研究根據表面活性劑的HLB值、分子量等參數選取了四種不同類型的表面活性劑，在無鉛釬料以及助焊劑的前期研究工作的基礎上，重點研究了不同類型表面活性劑及復配表面活性劑對助焊劑潤濕性能的影響。

1 實驗

1.1 實驗設備及材料

實驗材料：Sn-3Ag-0.7Cu無鉛釬料，0.3 mm厚紫銅板，丁二酸，己二酸，三乙醇胺，無水乙醇，丙烯酸樹脂，苯并三氮唑，op-10，丁二酸二辛酯磺酸鈉，十六烷基三甲基溴化銨，椰子油酰胺丙基甜菜堿。

實驗設備：SX-10-12箱式電阻氧化爐，TEED-2001溫度調節(jié)儀，自制電熱板，賽多利斯電子天平，熱電偶測溫儀，日本Malcom公司的SWB-2潤濕力測量儀。

1.2 助焊劑配制

以無水乙醇作溶劑，有機酸和有機胺作活性劑，添加表面活性劑、成膜劑、緩蝕劑等其他成分，配制成助焊劑，助焊劑基本成分如表1所示。

1.3 鋪展實驗

鋪展面積實驗采用CAD測量法，參照SJ／T 11273-2002《免清洗液態(tài)助焊劑》標準。實驗步驟為：

表1 助焊劑各成分質量分數%Tab.1 Ingredients and mass fractions of the flux

(1)試樣準備。切取試樣尺寸為50 mm×50 mm× 0.3 mm的紫銅銅片，制備質量為0.3 g的釬料球。

(2)銅片的預處理。按照國家標準要求用500號碳硅水砂紙打磨，去除表面的污染物和氧化物，再用去離子水、酒精清洗銅片表面。將銅片放入150℃的烘箱中氧化1 h。

(3)鋪展實驗。當烤箱溫度到達260℃時，將釬料置于銅板中心位置，用滴管滴加三滴助焊劑在釬料上，用鑷子平穩(wěn)地把銅板放入電阻爐中，保溫60s后取出。每個試樣做三次，取鋪展面積的平均值。

(4)數據處理。用新版一角錢硬幣作為參照物，其真實面積是282.336 2 mm2，和鋪展的銅片一起掃描，掃描成圖片后用AUTOCAD計算面積，鋪展面積計算公式：試樣鋪展面積＝試樣測量值／標準硬幣測量值×標準硬幣的實際面積。

1.4 潤濕力實驗

潤濕力實驗采用潤濕平衡法，參照日本工業(yè)標準(JIS-Z-3198-42003)。實驗步驟為：

(1)制備試樣。用線切割切出30 mm×10 mm× 0.3 mm的銅片，用500號砂紙進行打磨，再依次在10%的鹽酸、丙酮、無水乙醇、去離子水中進行清洗。

(2)打開潤濕力測試儀，調節(jié)溫度至260℃，設置銅片的浸入深度為2 mm，浸入速度2 m／s，浸入時間10 s，將釬料放入潤濕力測試儀的加熱堝中加熱。

(3)把助焊劑均勻涂抹在銅片上，將其放在測試儀的測試儀上，打開軟件的手動模式控制面板，按“measuring”機器就會自動進行潤濕力測試。測試結果如圖1所示，可以直接讀出最大潤濕力F和潤濕時間t。

2 實驗結果及分析

2.1 單一表面活性劑對助焊劑潤濕性能的影響

本實驗選用的四種表面活性劑分別是OP-10、丁二酸二辛酯磺酸鈉、十六烷基三甲基溴化銨和椰子油酰胺丙基甜菜堿。其中OP-10是非離子型表面活性劑，丁二酸二辛酯磺酸鈉是陰離子型表面活性劑，十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)是陽離子型表面活性劑，椰子油酰胺丙基甜菜堿(CAB)是兩性型表面活性劑。

圖1 潤濕力曲線Fig.1 Wetting force curves

助焊劑的基礎配方源自課題組自主研制的醇基助焊劑，為研究表面活性劑的類型和添加量對助焊劑潤濕力、潤濕時間的影響，進行了四組實驗。每組實驗選用一種表面活性劑，改變其在助焊劑中的添加量，分別為0g、0.03g、0.06g、0.09g、0.12g、0.15 g、0.18 g，配制了四個系列共28種助焊劑，采用潤濕力測試儀測試每種助焊劑的潤濕曲線，研究不同類型的表面活性劑及其添加量對助焊劑潤濕力、潤濕時間的影響。實驗結果如表2～表5所示。

表2 丁二酸二辛酯磺酸鈉的實驗數據Tab.2 Experiment data of the Aerosol OT

四種表面活性劑在助焊劑中的添加量和最大潤濕力之間的關系如圖2所示。

表3 Op-10的實驗數據Tab.3 Experiment data of the Aerosol Op-10

表4 CATB的實驗數據Tab.4 Experiment data of the CATB

由圖2可知，四種不同類型的表面活性劑隨著添加量的增加，對助焊劑最大潤濕力的影響是不同的。對于非離子型表面活性劑OP-10和陰離子型表面活性劑丁二酸二辛酯磺酸鈉，隨著添加量的增加，助焊劑的最大潤濕力有減小趨勢；陽離子型表面活性劑CTAB，隨添加量增加，最大潤濕力顯著提高，當添加量為0.12 g時，最大潤濕力可達6.88 mN；兩性型表面活性劑CAB，隨添加量增加，最大潤濕力的變化趨勢并不明顯，當添加量為0.09 g時，最大潤濕力6.7 mN。

表5 CAB的實驗數據Tab.5 Experiment data of the CAB

圖2 不同類型表面活性劑含量對最大潤濕力的影響Fig.2 Influence of contents of different types of surfactants on maximum wetting force

四種表面活性劑在助焊劑中的添加量和潤濕時間之間的關系如圖3所示。

圖3 不同類型表面活性劑含量對潤濕時間的影響Fig.3 Influence of contents of different types of surfactants on wetting force time

由圖3可知，四種表面活性劑都能對的潤濕時間產生影響，其中陰離子型表面活性劑CTAB和兩性表面活性劑CAB對降低助焊劑潤濕時間的效果較顯著，當CTAB添加量為0.12 g時，潤濕時間為0.76 s；CAB添加量為0.06 g時，潤濕時間為0.78 s。

四種表面活性劑在助焊劑中的添加量和鋪展面積之間的關系如圖4所示。從圖4中可知，四種不同類型的表面活性劑隨著添加量的增加，鋪展面積都有所增加，其中陽離子型表面活性劑CTAB的效果最顯著，其次是非離子型表面活性劑OP-10。

圖4 不同類型表面活性劑添加量對鋪展面積的影響Fig.4 Influence of contents of different types of surfactants on spreading area

由以上討論可知，陽離子型表面活性劑CTAB對助焊劑潤濕性能的影響最顯著，能明顯提高最大潤濕力、減小潤濕時間、增大鋪展面積，但因含有鹵素，不適合用作免洗助焊劑的原料[8]。兩性表面活性劑CAB能較好改善助焊劑的潤濕性能，但對鋪展面積的影響不大，殘留物較多。非離子型表面活性劑OP-10對助焊劑潤濕性能和鋪展面積的影響也較大，是一種具有較好性能的表面活性劑。陰離子型表面活性劑丁二酸二辛酯磺酸鈉的綜合效果較好。

2.2 復配表面活性劑對助焊劑潤濕性能的影響

表面活性劑復配的目的是產生加和增效作用，即把不同類型的表面活性劑混合后，得到的混合物其性能比原來單一組分的性能更加優(yōu)異。表面活性劑復配產生的加和增效作用已為人們所熟知，并在生產及生活中得到了實際應用[9]。由于非離子表面活性劑在水溶液中不電離，穩(wěn)定性高，不易受強電解質無機鹽類存在的影響，不易受酸堿的影響，與其他類型表面活性劑的相容性好，在水及有機溶劑中都有較好的溶解性能[10]，因此以非離子型表面活性劑OP-10為其中一種表面活性劑，分別與CAB和丁二酸二辛酯磺酸鈉進行復配，研究復配表面活性劑對助焊劑潤濕性能的影響。在保證表面活性劑總量0.18 g的前提下，調節(jié)兩種表面活性劑的質量比，設計并配制了兩個系列共14種助焊劑。測試每種助焊劑的潤濕力曲線和鋪展面積，結果如表6、表7所示。

表6 OP-10與丁二酸二辛酯磺酸鈉復配體系實驗數據Tab.6 Spread experiment results of OP-10 and Aerosol OT

表7 OP-10與CAB復配體系實驗數據Tab.7 Spread experiment results of OP-10 and CAB

OP-10與CAB復配體系的鋪展面積、潤濕時間和最大潤濕力與兩種表面活性劑的添加量的關系如圖5所示。OP-10與丁二酸二辛酯磺酸鈉復配體系的鋪展面積、潤濕時間和最大潤濕力與兩種表面活性劑的添加量的關系如圖6所示。

圖5 OP-10與CAB復配體系對助焊劑性能的影響Fig.5 Influence of combined system of OP-10 and CAB on the performance of flux

圖6 OP-10與丁二酸二辛酯磺酸鈉復配體系對助焊劑性能的影響Fig.6 Influence of combined system of OP-10 and Aerosol OT on the performance of flux

從圖5、圖6中不難看出，表面活性劑復配對助焊劑的最大潤濕力、潤濕時間和鋪展面積的影響較為顯著，有些配方的綜合性能明顯優(yōu)于單一表面活性劑的配方。這主要是因為在助焊劑中，復配的兩種表面活性劑除了發(fā)揮各自的性能優(yōu)勢外，還能互為補充，產生增效作用[11]。從圖5中可以看出，w(OP-10)與w(CAB)的質量比為1∶2時，潤濕效果最好，鋪展面積70.244 mm2，最大潤濕力6.592 mN，潤濕時間0.79 s；從圖6中可以看出，OP-10與丁二酸二辛酯磺酸鈉的復配配方雖然沒有顯著增加助焊劑的鋪展面積，但對助焊劑的最大潤濕力和潤濕時間的影響較大。當w(OP-10)與w(丁二酸二辛酯磺酸鈉)的質量比為1∶2時，最大潤濕力6.392 mN，潤濕時間0.81 s。同時，隨著OP-10含量的增加，鋪展實驗的焊點形貌趨于規(guī)則飽滿。

綜合以上討論，OP-10與CAB的復配體系對助焊劑綜合性能的改進效果要優(yōu)于OP-10與丁二酸二辛酯磺酸鈉的復配體系。原因在于：(1)非離子表面活性劑在相當寬的pH值范圍內都具有良好的潤濕性能，助焊劑的pH值范圍通常為2～7.5，非離子表面活性劑的潤濕性能不會受助焊劑pH值的影響；(2)非離子表面活性劑能與幾乎所有類型表面活性劑進行復配，而且在一般情況下都能產生加和增效作用；(3)非離子表面活性劑可以吸附在帶正電荷或負電荷的物質表面，而不產生憎水薄層，具有很好的潤濕性和發(fā)泡性。

2.3 復配表面活性劑的加和增效作用

表面活性劑的復配是實際應用中的一個重要課題，通過表面活性劑的復配可以達到以下目的：(1)提高表面活性劑的性能。復配體系常常具有比單一表面活性劑更優(yōu)越的性能。(2)降低表面活性劑的應用成本。一方面通過復配可以降低表面活性劑的總量，另一方面利用價額低廉的表面活性劑與成本高的表面活性劑復配，可以降低成本較高的表面活性劑組分的用量。(3)減少表面活性劑對生態(tài)環(huán)境的破壞。表面活性劑的最基本作用是降低表面張力和膠束的形成，衡量表面活性劑的活性大小主要是考察其溶液表面張力的降低程度和臨界膠束濃度的大小。在降低表面張力方面，當溶液的表面張力降低到一定程度所需的兩種表面活性劑的濃度之和(c10+c20)低于單獨使用復配體系中的任何一種表面活性劑所需的濃度時，產生加和增效作用。反之，如果兩種表面活性劑的濃度之和高于其中任何一種表面活性劑所需的濃度，則說明產生了負的加和增效作用[12-14]。從圖5和圖6可以看出，在表面活性劑總量一定的條件下，復配表面活性劑比單一表面活性劑更加有效地提高助焊劑最大潤濕力，降低助焊劑的潤濕時間，使助焊劑潤濕性能在一定程度上得到顯著改善，即試驗中的兩種復配體系都產生了正加和增效作用。今后的研究中可以通過選用其他表面活性劑復配體系以及改變復配體系中表面活性劑的種類，以獲得更好的潤濕效果。

3 結論

(1)研究表明，表面活性劑的種類及其含量對助焊劑的潤濕性能影響較明顯，存在一定的影響規(guī)律。在配制助焊劑時，應合理選擇表面活性劑及添加量。

(2)四種不同類型的表面活性劑都能增加焊料的鋪展面積，并且隨著表面活性劑含量的增加，鋪展面積呈逐漸增大的趨勢，其中非離子型表面活性劑OP-10還能使焊點形狀規(guī)則且飽滿。

(3)表面活性劑的復配體系能有效提高助焊劑的綜合性能，但要合理選擇表面活性劑復配體系及其含量。

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Effect of the surfactants in flux on wettability of lead-free solder

ZHENG Jia-chun，YANG Xiao-jun，LEI Yong-ping，XIA Zhi-dong，GUO Fu
(College of Material Science and Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

Surfactant plays a great role in reducing the surface tension of the melting lead-free solder and increasing the wettability of the lead-free solder on base metal.Four different types of surfactants were selected in accordance with HLB values and molecular weights.The flux used for the study of the effect of surfactants on wettability of lead-free solder was composed of anhydrous ethanol as solvent，organic acids as active moiety，selected surfactants,and some other components such as film formers，corrosion inhibitor，etc.The results of the wetting power tests and spread tests showed that the types and contents of surfactants in flux had a rather obvious influence on the wettability of lead-free solder.It was found that the flux with properly combined surfactants had improved properties.

surfactant；lead-free solder；flux；wettability

TG422

A

1001-2303(2011)07-0079-06

2011-04-20

“十一五”國家科技支撐重點資助項目“含有毒有害材料元素材料替代技術”(2006BAE03B02)

鄭家春(1985—)，男，山東臨沂人，在讀碩士，主要從事先進電子連接的研究。