一文详解接触角测量仪

液滴形状分析(Drop shape analysis, DSA)是一种从水滴的图像确定接触角，从悬滴的图像确定表面张力或界面张力的图像分析方法。与此同时可通过测量不同极性液体的接触角，计算出固体表面的自由能(SFE)。

液滴性状分析可将测试液体滴在固体样品上(一般用于测试接触角)或液滴悬滴于针尖上(一般用于测试液体表面能)。液滴的图像可利用相机记录下来，并在分析软件中通过对液滴的轮廓进行拟合，可分析得出液滴在固体表面的接触角或计算得出液体的表面张力。

接触角的测量

接触角指的是液滴和样本表面之间的角度，液滴与固体基底接触得表面称为基线。

接触角的测量

接触角(润湿角)可用于评价液体对固体表面的润湿性。在固体表面被液体全润湿的情况下，接触角为0°。接触角在0°和90°之间，固体是可润湿的，90°以上是不可湿的。在具有莲花效应的超疏水材料中，接触角接近180°的理论极限。

液体表面张力的测量

液滴的形状是由表面张力或界面张力与重力的关系决定的。在接触角测量仪的悬滴法测试中，表面张力或界面张力由悬滴的阴影图像通过水滴形状分析来计算。

在进行测量时，我们通过逐步增加液滴的体积，使液滴形状接近于梨形，然后通过从视频图像上确定液滴的形状拟合正确。最终根据密度差∆ρ和计算液体表面张力。

固体表面能的测量

固体的表面能是研究润湿性和附着力之间的相互作用，同一固体表面接触不同极性的液体其接触角也不同，因此表面能通常是借助几种液体的接触角间接计算得到的。

OWRK方法是从与几种液体接触角计算固体表面自由能的标准方法。固体表面能分为极性部分和色散部分，一般使用的测试液体是水，如有需要也可自备其他液体测试。

焊接学从学科分类属于钎焊学，钎焊就是将比母材熔点低的金属材料熔化，使其与母材结合到一起。钎焊有硬钎焊(熔点≥450℃) 和软钎焊(熔点≤450℃的锡-铅系焊料焊) 两种。

用锡-铅系焊料焊接铜、黄铜、银、金等金属时，焊料在金属表面产生润湿，作为焊料成份的锡金属就向母材金属扩散，在界面上行成合金属，使两者结合在一起。上述锡焊过程即是润湿-扩散-冶金结合过程。

1.2 锡焊机理

所谓焊接就是在两个金属之间熔入焊料，通过加热，焊锡和金属互相扩散而形成合金层，通过金属键连接起来。也可以说是由金属表面的润湿现象而形成的连接方法。

这种连接最大的优点就是几乎看不出被焊件的变化。还有就是导电性能好、可得到足够的机械强度、焊接所需工具简单、操作温度低。

1.2.1 润湿

润湿是熔融焊料在被焊母材表面进行充分的扩展并形成一个附着层。

条件：必须要求焊料合母材表面清洁。

解决办法：良好的焊接，必须使用助焊剂。助焊剂的作用在于熔解氧化物并使金属表面活化，其最终目的是使焊料在母材表面产生良好的润湿。可以说，润湿是焊接的首要条件，没有润湿也就不可能焊接。

1.2.2 扩散

用焊料焊接母材时，伴随着润湿现象，还会产生焊料向母材扩散的现象。

通常，金属原子在晶格点阵中处于热振动状态，一旦温度升高，原子从一个晶格点阵中移到另一个晶格点阵的现象称为扩散现象，此时的移动速度和扩散数量取决于加热温度和时间。

从现象上看，扩散可分为四类：表面扩散、晶内扩散、晶界扩散、选择扩散。

1.2.3 冶金结合

要得到良好的焊接效果，必须生成适当的合金，即得到牢固的冶金结合状态，通常必须得到固熔体或金属间化合物。其冶金结合状态，生成何种合金，组织状态，厚度等，将决定焊点的强度和理化特性。

1.3  锡焊要素及相互作用

锡焊有关的系统由：母材、助焊剂、焊料等三个基本要素组成。

为了真正的了解锡焊的现象，不仅应知道个别的物理特性(强度、熔点、表面张力、粘度等)，对各要素的相互作用进行探讨也是非常必要的。

近代锡焊理论深入的探讨了锡焊母材和焊料之间的作用，对润湿、扩散、合金层的形成(特别是定量的得出在何种温度形成何种合金)以及对熔蚀现象给出了定性和定量的解释。锡焊理论还进一步探讨了当介入助焊剂之后发生的变化，这就更接近于实践的过程，从而建立了三角关系。

1.4 助焊剂与母材的反应

进行锡焊首要条件是熔融焊料能与母材良好的润湿。润湿是焊接的最基本的因素，没有润湿就不可能焊接。

1.4.1. 去除氧化膜

金属表面覆盖氧化膜的情形很多。为了使母材表面能很好的润湿，必须去除氧化膜，助焊剂就是起到把母材表面的氧化膜进行化学溶解或还原的作用。

a) 用松香去除氧化膜：松香是锡焊通用的助焊剂。它主要成分是松香酸，该酸具有去除氧化膜的作用。松香的熔点在74℃以下和300℃以上则无活性。松香酸在常温下不能和Cu2O起反应，约在170℃呈活性反应能去除氧化膜，所以作为焊性用助焊剂是适合的。

b) 熔融盐去除氧化膜：一般用溶融盐去除氧化膜就是用Cl-、F-使母材氧化物变成氯化物或氟化物。根据反应结果能否生成氯化物或氟化物即可判断助焊剂能否去除氧化物。

焊接的基本要求

焊接的基本要求表现在4个方面：焊点应接触良好，焊点应具有足够的强度，焊点的外观应美观，元器件不能受到电、热、机械的选应力损伤(持别贴片元器件)。

1.6.1 焊点应接触良好

a) 形成合金层

保证被焊件间能稳定可靠，通过一定的电流就必须做到焊料与被焊件的表面形成合金层。而决不是把焊料简单的堆附在被焊件的表面上，或只有一部分形成合金，其余部分未形成合金。这样未形成合金层或部分形成合金的焊点被称为虚焊。

虚焊的焊点在短期内可能发现不了问题，但是时间一长，未形成合金的表面经过氧化，使接触电阻变大，就会出现通过的电流变小或通不过电流造成开路。此时，焊点的外观(表面)未发生变化，用眼睛不易检查出来，即使用仪器检查也不容易准确判断。因此，要想使电子产品能长期可靠的工作，至关重要的是一定要消灭虚焊现象。

b) 润湿机理

焊点的接触是否良好，一般用润湿角表达，如见图1所示：

放置一液滴在固体表面时，根据固体与液体的性质，液滴将具有一定的形状。如下。

此时把液体固体处接触的夹角称为接触角(也称润湿角)。润湿角是焊料与被焊件溶合交界点处，在焊料园孤面上该点处作的切线与被焊件平面之间、从焊接中心形成的夹角。

它是衡量润湿性的尺度。一般有下列几种情况(見图3)：

几种润湿角图解

α=180°，表示全不润湿，即焊料只是放在被焊件的表面上，全没有形成合金层。

180°>α≥90°，表示不润湿，即焊料只是堆附在被焊件的表面上，少许形成合金层。

30°<α<90°，只能表示半润湿，即部分形成合金。

α<30°，表示全润湿，即形成了全的合金层。

一个好的焊点的评定标准就是看焊点是否全部润湿接触。良好的焊接没有半润湿和不润湿。

1.6.2 焊点具有足够的强度

为使焊件不致脱落，焊点必须具有足够的机械强度。锡铅焊料的主要成分是锡和铅，这两种金属的机械强度都比较低，为增加焊点的强度，一般要求被焊件端子的表面形成合金层的面积要足够大，以增加焊接点的机械强度。焊点的焊料太少，强度当然不够。焊料过多，不但不会增加焊点的强度，反而会增加焊料的消耗，还容易造成短路或虚焊等其它问题。

1.6.3 焊点的外观美观

焊点表面应呈现出光滑状态，不应出现棱角或拉尖等现象。

产生拉尖的原因与焊接温度、时间、撤去烙铁头的方向(运动轨迹)、速度及焊剂等因素有关。

1.6.4 元器件不能受损伤

a) 元器件在焊接过程中易受外界施加的机械过应力(引脚成形、与焊盘孔不匹配、焊后引脚存在内应力)、热过应力(超过元器件耐热限度、温度激变、基板与元器件热膨胀系数不匹配)和电过应力(漏电、静电、放电)而损伤。已装机的元容器件损伤，一般用肉眼是看不出来的，必须借助于显微镜外观质量检查、热成像仪检查元器件内部过热点的排查、高可靠环境应力试验(高温贮存试验、温度冲击或循环试验、振动试验)和电应力试验(高温电老炼试验和三温测试)等试验才能暴露早期失效的产品，而轻伤还是无法有效剔除。从元器件使用失效分析统计，近半元器件使用失效与电装操作不当有关，特别是在贴片元器件使用不当造成失效的案例特别多。

b) 无铅元器件、贴片元器件手工焊接更容易损伤，在国外电子产品除返修之外，一般均不再采用手工焊了，因手工焊接时受外界不确定的人为因素太多，无法有效控制。但手工焊並非不能应用，国内航天均会走过这个过程，因此在不具备载流焊等电装工艺之前，从须加强专项的贴片元器件电装知识的培训，除熟知相关电装标准、焊接知识之外，还要提高每个人的实际操作技能和考核、日常有效监督、检查显得十分重要和迫切，我们切不能轻视。