PCBA焊接中表面张力与黏度的控制策略

在PCBA(Printed Circuit Board Assembly)焊接过程中，焊料的表面张力和黏度是两个关键的物理特性，直接影响焊料的润湿性、铺展性和填充性，进而决定了焊接质量和良率。高表面张力和高黏度会导致焊料润湿不良、漏焊、桥接、立碑等焊接缺陷，而低表面张力和低黏度的焊料则能够更好地浸润焊接表面，形成饱满、光亮的焊点。本文将从表面张力和黏度的基本原理出发，深入探讨其对PCBA焊接的影响机制，并详细介绍降低表面张力和黏度的具体措施，帮助电子制造企业提升焊接质量和生产效率。

一、表面张力与黏度的基本原理及对焊接的影响

表面张力的基本原理

表面张力是指液体表面分子之间的吸引力，使得液体表面总是趋向于最小化。从微观角度来看，液体内部的分子受到周围分子的吸引力是平衡的，而液体表面的分子只受到下方和侧面分子的吸引力，因此会产生一种收缩力，使液体表面呈现出紧绷的状态。

表面张力的大小通常用单位长度上的力来表示，单位为N/m(牛顿/米)或mN/m(毫牛顿/米)。液体的表面张力与温度、成分、纯度等因素有关，温度越高，表面张力越小;成分越复杂，表面张力也会相应变化。

黏度的基本原理

黏度是指液体内部的摩擦力，衡量的是液体流动的阻力大小。从微观角度来看，黏度是由液体分子之间的内聚力和分子的热运动共同决定的。当液体流动时，不同层之间的分子会相互牵制，导致流动速度不同，从而产生摩擦阻力。

黏度的大小通常用动力黏度来表示，单位为Pa·s(帕斯卡·秒)或mPa·s(毫帕斯卡·秒)。液体的黏度与温度、成分、压力等因素有关，温度越高，黏度越小;成分越复杂，黏度也会相应变化。

表面张力与黏度对焊接的影响

在PCBA焊接过程中，表面张力和黏度对焊接质量的影响主要体现在以下几个方面：

润湿性：润湿性是指焊料在焊接表面的铺展能力，直接影响焊点的形成。高表面张力会导致焊料在焊接表面收缩，形成球状，无法充分铺展，从而导致润湿不良、漏焊等缺陷;低表面张力则能够使焊料更好地铺展，形成饱满的焊点。

铺展性：铺展性是指焊料在焊接表面的扩散能力，直接影响焊点的大小和形状。高黏度会导致焊料流动缓慢，无法充分扩散，从而导致焊点过小、不饱满等缺陷;低黏度则能够使焊料更好地扩散，形成合适大小和形状的焊点。

填充性：填充性是指焊料填充焊接间隙的能力，直接影响焊点的机械强度和电气性能。高黏度会导致焊料无法充分填充焊接间隙，从而导致焊点虚焊、强度不足等缺陷;低黏度则能够使焊料更好地填充焊接间隙，形成牢固的焊点。

自定位效应：在SMT(Surface Mount Technology)回流焊过程中，平衡的表面张力会产生自定位效应，当元器件贴放位置有少量偏离时，在表面张力的作用下，元器件能自动被拉回到近似目标位置，从而提高焊接质量和生产效率。但如果表面张力不平衡，则会导致元件位置偏移、立碑、桥接等焊接缺陷。

二、降低表面张力和黏度的核心措施

提高焊接温度

提高焊接温度是降低表面张力和黏度最直接、最有效的措施之一。从物理原理来看，温度升高会增加熔融焊料内分子的动能，减小分子间的引力，从而降低表面张力和黏度。

具体来说，温度升高对表面张力和黏度的影响机制如下：

分子间距增大：温度升高会使液体分子的动能增加，分子间的距离增大，从而减小分子间的引力，降低表面张力。

分子热运动增强：温度升高会使液体分子的热运动增强，分子间的摩擦力减小，从而降低黏度。

在实际生产中，提高焊接温度需要根据焊料的类型和成分来确定，一般来说，Sn-Pb焊料的焊接温度为230℃~250℃，无铅焊料的焊接温度为250℃~270℃。需要注意的是，焊接温度不能过高，否则会导致焊料氧化加剧、元器件过热损坏等问题。

调整金属合金比例

焊料的成分和比例是影响表面张力和黏度的重要因素。不同金属元素的表面张力和黏度不同，通过调整金属合金比例，可以有效降低焊料的表面张力和黏度。

以Sn-Pb焊料为例，纯锡(Sn)的表面张力较大，而铅(Pb)的表面张力较小，通过增加铅的含量，可以降低焊料的表面张力。具体来说，当Sn-Pb焊料中Pb的含量达到37%时，表面张力明显减小，此时的焊料成分被称为共晶焊料(Sn63/Pb37)，具有最低的熔点(183℃)和最优的焊接性能。

对于无铅焊料，由于环保要求不能使用铅，通常采用Sn-Ag-Cu(SAC)系焊料。其中，Ag的表面张力较大，而Cu的表面张力较小，通过调整Ag和Cu的含量，可以降低焊料的表面张力。一般来说，SAC305(Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5)是目前应用最广泛的无铅焊料，具有较好的焊接性能。

增加活性剂

活性剂是焊膏或助焊剂中的一种重要成分，能够有效降低焊料的表面张力，同时去除焊料和焊接表面的氧化层，提高润湿性。

活性剂的作用机制主要包括以下几个方面：

降低表面张力：活性剂分子能够吸附在焊料表面，降低表面分子之间的引力，从而减小表面张力。

去除氧化层：活性剂能够与焊料和焊接表面的氧化层发生化学反应，生成挥发性物质或溶于助焊剂的化合物，从而去除氧化层，提高润湿性。

形成保护膜：活性剂在焊接过程中会形成一层保护膜，防止焊料和焊接表面在高温下再次氧化。

在选择活性剂时，需要考虑其活性、挥发性、腐蚀性等因素。一般来说，松香类活性剂具有较好的活性和挥发性，腐蚀性较小，是目前应用最广泛的活性剂类型;而卤化物类活性剂虽然活性较强，但腐蚀性较大，需要谨慎使用。

改善焊接环境

焊接环境对焊料的表面张力和黏度也有重要影响，主要体现在氧化程度和气体压力两个方面。在高温焊接过程中，焊料和焊接表面容易氧化，形成氧化层，从而增加表面张力，降低润湿性;而在惰性气体或真空环境下焊接，可以减少氧化，提高润湿性，降低表面张力。

具体来说，改善焊接环境的措施主要包括以下两种：

氮气保护焊接：氮气保护焊接是指在焊接过程中，用氮气替代空气作为保护气体，减少焊料和焊接表面的氧化。氮气是一种惰性气体，化学性质稳定，不会与焊料和焊接表面发生反应，能够有效防止氧化，提高润湿性，降低表面张力。

真空焊接：真空焊接是指在焊接过程中，将焊接环境抽成真空，减少焊料和焊接表面的氧化。真空环境下没有氧气，能够彻底防止氧化，同时还能够降低气体压力，减小焊料的表面张力，提高润湿性和铺展性。

优化设备参数

除了上述措施外，还可以通过优化焊接设备参数来降低表面张力和黏度的影响。具体来说，主要包括以下几个方面：

焊接速度：适当降低焊接速度可以增加焊料在焊接表面的停留时间，使焊料有足够的时间润湿和铺展，从而降低表面张力和黏度的影响。

焊接角度：适当调整焊接角度可以使焊料更好地流向焊接间隙，提高填充性，从而降低表面张力和黏度的影响。

预热温度：适当提高预热温度可以使焊接表面温度升高，减小焊料与焊接表面的温度差，从而降低表面张力和黏度的影响。

三、表面张力与黏度的平衡控制

表面张力与自定位效应的平衡

如前所述，在SMT回流焊过程中，平衡的表面张力会产生自定位效应，提高焊接质量和生产效率。但如果表面张力过低，则会导致自定位效应减弱，无法有效纠正元器件贴放位置的偏差;而表面张力过高，则会导致焊料润湿不良、漏焊等缺陷。因此，需要在降低表面张力和保留自定位效应之间找到平衡。

具体来说，可以通过以下措施来实现表面张力与自定位效应的平衡：

选择合适的焊料成分：共晶焊料(Sn63/Pb37)或接近共晶成分的无铅焊料具有适中的表面张力，能够较好地平衡润湿性能和自定位效应。

优化回流焊温度曲线：通过调整回流焊温度曲线，使焊料在熔融过程中保持适中的温度，从而维持适中的表面张力。

控制贴装精度：提高元器件贴装精度可以减少表面张力自定位效应的负担，从而允许适当降低表面张力，提高润湿性能。

黏度与填充性的平衡

黏度过低会导致焊料在焊接间隙中流失，无法充分填充，从而降低焊点的机械强度和电气性能;而黏度过高则会导致焊料无法充分填充焊接间隙，形成虚焊、强度不足等缺陷。因此，需要在降低黏度和保证填充性之间找到平衡。

具体来说，可以通过以下措施来实现黏度与填充性的平衡：

选择合适的焊料成分：焊料的成分和比例会影响其黏度，需要根据焊接间隙的大小和填充要求选择合适的焊料成分。

优化焊接温度：适当提高焊接温度可以降低焊料的黏度，提高填充性;但温度不能过高，否则会导致焊料流失。

增加焊料量：适当增加焊料量可以保证焊料有足够的体积填充焊接间隙，从而弥补低黏度导致的焊料流失问题。

四、实际生产中的工艺优化案例

案例一：汽车电子PCB板焊接工艺优化

某汽车电子企业生产的PCB板在焊接过程中出现了严重的桥接缺陷，导致产品良率仅为85%。经过分析发现，该企业使用的是Sn-Pb共晶焊料，焊接温度为235℃，助焊剂为普通松香类助焊剂。桥接缺陷主要发生在引脚间距为0.5mm的QFP(Quad Flat Package)芯片引脚之间，原因是焊料表面张力过高，导致焊料在引脚之间无法有效铺展，形成桥接。

针对这个问题，企业采取了以下优化措施：

提高焊接温度：将焊接温度提高到245℃，降低焊料的表面张力和黏度。

更换助焊剂：采用活性更强的含卤化物类助焊剂，进一步降低焊料的表面张力，去除氧化层。

优化回流焊温度曲线：增加预热时间和预热温度，使焊接表面温度更加均匀，提高焊料的润湿性。

经过优化后，产品良率提升到了98%，桥接缺陷基本消除。

案例二：医疗设备PCB板焊接工艺优化

某医疗设备企业生产的PCB板在焊接过程中出现了漏焊和润湿不良缺陷，导致产品良率仅为82%。经过分析发现，该企业使用的是无铅焊料(SAC305)，焊接温度为255℃，焊接环境为空气环境。漏焊和润湿不良缺陷主要发生在PCB板的BGA(Ball Grid Array)芯片和贴片电容引脚处，原因是焊料表面张力过高，润湿性差，同时由于空气环境下焊接氧化严重，进一步降低了润湿性。

针对这个问题，企业采取了以下优化措施：

采用氮气保护焊接：将焊接环境改为氮气保护环境，氮气纯度为99.99%，减少焊料和焊接表面的氧化，提高润湿性，降低表面张力。

调整焊膏成分：在焊膏中增加适量的活性剂，进一步降低焊料的表面张力，去除氧化层。

优化回流焊温度曲线：增加回流时间和峰值温度，使焊料有足够的时间润湿和铺展。

经过优化后，产品良率提升到了97%，漏焊和润湿不良缺陷基本消除。

PCBA焊接中的表面张力和黏度是影响焊接质量的核心物理特性，直接关系到焊料的润湿性、铺展性和填充性。通过提高焊接温度、调整金属合金比例、增加活性剂、改善焊接环境、优化设备参数等措施，可以有效降低焊料的表面张力和黏度，提高焊接质量和良率。同时，还需要在降低表面张力和保留自定位效应之间、在降低黏度和保证填充性之间找到平衡，实现焊接性能的最优。

在实际生产中，企业需要根据自身的产品特点、焊接工艺和设备条件，结合表面张力和黏度的控制原理，制定个性化的工艺优化方案，并通过实验验证和持续改进，不断提升焊接质量和生产效率。只有从根本上理解和控制表面张力和黏度，才能真正解决焊接缺陷问题，生产出高质量、高可靠性的PCBA产品。