郑家春 杨晓军 雷永平 夏志东 郭福
(免清洗助焊剂北京工业大学材料科学与工程学院，北京，100124)
摘要：
作为助焊剂核心成分的表面活性剂在助焊剂中的添加量虽然很小，但作用却很关键。它能够降低焊料表面张力，提高焊料的润湿能力，确保熔融焊料在被焊接物表面顺利扩展、流动、浸润等。
目前人们对助焊剂中活化成分在钎焊过程中的作用及工作原理已经进行了大量的研究，然而关于助焊剂中表面活性剂的影响作用的研究还甚少。本文参考国内外相关文献,在本课题组无铅钎料以及助焊剂的前期研究工作的基础上，研究了表面活性剂对助焊剂润湿性能的影响。
首先根据表面活性剂的HLB值、分子量等选取了四种不同类型的表面活性剂。以无水乙醇作为溶剂，有机酸作为活性剂，添加成膜剂、缓蚀剂等其它成分，配制成助焊剂。采用润湿力
测试仪，结合铺展实验的结果，研究了不同类型的表面活性剂及其含量对助焊剂润湿力、润湿时间的影响。结果表明，表面活性剂对助焊剂的润湿性能影响较大，选用适宜的表面活性剂可使助焊剂具有铺展面积大、焊点光亮、润湿性力大、润湿时间短的优点。
Study on the effect of surfactant on wettability of flux for lead-free solder
ZHENG Jiachun，YANG Xiaojun，LEI Yongping，XIA Zhidong，GUO Fu
(The College of Material Science and Engineering, Beijing University of Technology, Beijing, 100124)
Abstract:
Surfactant is the core part of the flux, although the content is very small, it plays a key role. It can reduce the surface tension of the solders, improve the wetteng ability of the solders and make sure the efficient expanding of the liquid state solders, flowing and soaking on the surface of the joined materials.
At present, a great number of scientists have engaged in the research about the effects and working principles of the active moiety of the soldering flux in the soldering process, and have made great achievements. However, little studies have been done on the surfactant of the soldering flux. According to domestic and overseas references, and based on our early research works about lead-free solders and flux, we have studied the effect of surfactant on wettability of flux for lead-free solder.
First, we selected four different types of surfactants in accordance with HLB values of surfactants, molecular weights of surfactants and so on, chose anhydrous ethanol as solvent, organic acids as active moiety, and some other compositions such as film formers, corrosion inhibitor, etc. By mixing these components at proper order, the soldering fluxes were obtained. According to the wetting power tests and the results of spread tests, we studied the influences of the different types and different contents of surfactants on wetting power and wetting times of the fluxes. The results showed that the surfactants had great effects on wettability. By selecting proper surfactants, the fluxes with the virtues of large spreading area, bright weldding spot, enough wetting power and
short wetting time, could be obtained.
现在电子行业的飞速发展，对电子产品提出了越来越高的要求。众所周知，铅和铅的化合物损害健康、破坏环境，因此焊料无铅化成为一个不可回避的选择。无论是从人类可持续性发展的角度来讲还是从环境生态的角度来讲，电子信息产业的无铅化，首要的问题是到一种具有无毒、低熔点等特性的，能够替代传统Sn-Pb合金新型的电子连接材料。目前，市场上常见的无铅钎料主要有Sn-Ag系、 Sn-Cu系、 Sn-Ag-Cu系，其中Sn-Ag-Cu钎料具有很好的物理和机械性能，可焊性也较好，被公认为是最有可能替代Sn-Pb合金的无铅钎料[3]，但在研究和使用过程中发现 ,与传统的 Sn-Pb 钎料相比 ,Sn-Ag-Cu 系无铅钎料润湿性差 ,易氧化 ,且熔点高 (Sn-Pb 钎料熔点为 183 ℃)，其中无铅钎料润湿性差是钎料无铅化面临的一个重要问题，表面张力是影响焊料浸润的主要原因，在焊接过程中，助焊剂可以降低熔融焊料的表面张力，而作为助焊剂重要组成部分的表面活性剂对降低钎料的表面张力提高钎料润湿性能有着重要的作用。但是，表面张力是一种物理特性，在实际生产中，我们只能改变它而不能完全消除它。在钎焊过程中，降低焊料表面张力的同时，就可以提高焊料的润湿能力，从而达到良好的焊接效果。 降低焊料表面张力并不是只有依靠表面活性剂的作用这一种方法，但表面活性剂的使用是比较常见且比较有效的一种方法。
目前人们对助焊剂中活化成分在钎焊过程中的作用及工作原理已经进行了大量的研究，然而关于助焊剂中表面活性剂的影响作用的研究还甚少。笔者根据表面活性剂的HLB值、分子量等选取了四种不同类型的表面活性剂。以无水乙醇作为溶剂，有机酸作为活性剂，添加成膜剂、缓蚀剂等其它成分，配制成助焊剂。采用润湿力测试仪，结合铺展实验的结果，研究了不同类型的表面活性剂及其含量对助焊剂润湿力、润湿时间及铺展形貌的影响。
1 实验设备及材料
实验材料：Sn-3Ag-0.7Cu无铅钎料，有机酸类，有机胺类，无水乙醇，丙烯酸树脂，op-10,丁二酸二辛酯磺酸钠，十六烷基三甲基溴化铵，椰子油酰胺丙基甜菜碱，紫铜板0.3mm厚的紫铜板等。
实验设备：SX-10-12箱式电阻氧化炉，TEED－2001温度调节仪，自制电热板，赛多利斯电子天平，热电偶测温仪，SWB－2润湿力测量仪。
润湿力实验：采用润湿平衡法，参照日本工业标准（JIS Z 3198－42003）。
铺展面积实验：采用CAD测量法，参照SJ/T 11273－2002《免清洗液态助焊剂》标准。
2 实验结果及分析
2.1单一表面活性剂对助焊剂润湿性能的影响
本实验选用自主研制的醇基助焊剂，该免清洗助焊剂由有机酸有机胺活性剂，酯类成膜剂，表面活性剂，缓蚀剂苯并三氮唑及乙醇构成。为研究表面活性剂的类型和质量对助焊剂润湿力、润湿时间的影响，根据表面活性剂的类型，把实验分为四组，每组实验只改变表面活性剂的质量，其质量分别为0.03g、0.06g、0.09g、0.12g、0.15g、0.18g，研究不同类型的表面活性剂及其含量对助焊剂润湿力、润湿时间的影响。
四种不同类型的表面活性剂在添加不同量时，测得助焊剂的最大润湿力、润湿时间及铺展面积结果如图1、图2、图3所示。
图1.不同类型表面活性剂含量对最大润湿力的影响
为了能去焊件表面的氧化层，确保焊锡在被焊接物表面能顺利扩展、流动、浸润等，要求助焊剂具有良好的润湿能力。通常评价助焊剂润湿性能的主要指标有最大润湿力和润湿时间，在实际生产中最大润湿力越大、湿时间越小，说明润湿过程中对焊件的润湿程度越大，润湿效果越好。从图1中可以看出，四种不同类型的表面活性剂随着添加量的增加，对助焊剂最大润湿力的影响是各不同的，非离子型OP-10和阴离子型丁二酸二辛酯磺酸钠随添加量增加没有使助焊剂最大润湿力增大，反而使其减小；阳离子型CTAB随添加量增加，
能够显著的提高最大润湿力，当添加量为0.12g时，最大润湿力可达6.88mN;两性型CAB随添加量增加，最大润湿力开始成增减交替变化，随后减小。
图2不同类型表面活性剂含量对润湿时间的影响
由图2可知，添加四种不同类型的表面活性剂都能降低助焊剂的润湿时间，其中阴离子型CTAB和两性CAB对降低助焊剂润湿时间效果更显著，当CTAB的添加量为0.12g时，润湿时间为0.76s；非离子型OP-10和阴离子型丁二酸二辛酯磺酸钠也能有效的减小润湿时间，我们可以根据图2中的数据，选择特定的点来配制助焊剂
图3.类型表面活性剂含量对铺展面积的影响
不同类型表面活性剂含量对助焊剂铺展面积的影响如图3所示，从图3中可知，四种不同类型的表面活性剂随着添加量的增加，都能增加助焊剂的铺展面积，其中阳离子型CTAB的效果最显著，其次是非离子型OP-10.。
从上我们可以得出，阴离子型CTAB对助焊剂润湿性能的影响最显著，其能明显提高最大润湿力、减小润湿时间、增大铺展面积，主要因为CTAB为含卤素表面活性剂，其活性剂强，
助焊能力高，但因含有卤素的助焊剂卤素离子很难清洗干净,离子残留度高,卤素元素(主要是氯化物)有强腐蚀性,故含有卤素的表面活性剂不适合用作免洗助焊剂的原料。非离子型CAB能较好改善助焊剂的最大润湿力和润湿时间，但铺展面积很小，残留物较多，不满足助焊剂的使用要求;非离子型OP-10和阴离子型丁二酸二辛酯磺酸钠对助焊剂的润湿性能及铺展面积的影响相似。
2.2表面活性剂复配对助焊剂润湿性能的影响
非离子表面活性剂在水溶液中不电离，稳定性高，不易受强电解质无机盐类存在的影响，也不易受酸碱的影响；与其他类型表面活性剂的相容性好；在水及有机溶剂中皆有较好的溶解性能。于是在以上的实验基础上，以非离子型OP-10为基础，保证表面活性剂的总量为0.18g,通过添加非离子型CAB、阴离子型丁二酸二辛酯磺酸钠研究表面活性剂复配对助焊剂润湿性能的影响。
2.2.1 非离子-两性行表面活性剂复配
图5 OP-10与CAB复配体系对助焊剂性能的影响
2.2.2 非离子-阴离子表面活性剂复配
图6 OP-10与丁二酸二辛酯磺酸钠复配体系对助焊剂性能的影响
3表面活性剂复配原理
表面活性剂复配的目的是产生加和增效作用，即把不同类型的表面活性剂人为地混合后，得到的混合物其性能比原来单一组分的性能更加优良的效果。表面活性剂复配产生的加和增效作用及对其应用性能的改善，已为人们所知并在生产及生活中得到了实际应用[20]。
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