液滴形狀分析(Drop shape analysis, DSA)是一種從水滴的圖像確定接觸角，從懸滴的圖像確定表面張力或界面張力的圖像分析方法。與此同時(shí)可通過(guò)測(cè)量不同極性液體的接觸角，計(jì)算出固體表面的自由能(SFE)。

液滴性狀分析可將測(cè)試液體滴在固體樣品上(一般用于測(cè)試接觸角)或液滴懸滴于針尖上(一般用于測(cè)試液體表面能)。液滴的圖像可利用相機(jī)記錄下來(lái)，并在分析軟件中通過(guò)對(duì)液滴的輪廓進(jìn)行擬合，可分析得出液滴在固體表面的接觸角或計(jì)算得出液體的表面張力。

接觸角的測(cè)量

接觸角指的是液滴和樣本表面之間的角度，液滴與固體基底接觸得表面稱為基線。

接觸角的測(cè)量

接觸角(潤(rùn)濕角)可用于評(píng)價(jià)液體對(duì)固體表面的潤(rùn)濕性。在固體表面被液體全潤(rùn)濕的情況下，接觸角為0°。接觸角在0°和90°之間，固體是可潤(rùn)濕的，90°以上是不可濕的。在具有蓮花效應(yīng)的超疏水材料中，接觸角接近180°的理論極限。

液體表面張力的測(cè)量

液滴的形狀是由表面張力或界面張力與重力的關(guān)系決定的。在接觸角測(cè)量?jī)x的懸滴法測(cè)試中，表面張力或界面張力由懸滴的陰影圖像通過(guò)水滴形狀分析來(lái)計(jì)算。

在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，我們通過(guò)逐步增加液滴的體積，使液滴形狀接近于梨形，然后通過(guò)從視頻圖像上確定液滴的形狀擬合正確。最終根據(jù)密度差?ρ和計(jì)算液體表面張力。

固體表面能的測(cè)量

固體的表面能是研究潤(rùn)濕性和附著力之間的相互作用，同一固體表面接觸不同極性的液體其接觸角也不同，因此表面能通常是借助幾種液體的接觸角間接計(jì)算得到的。

OWRK方法是從與幾種液體接觸角計(jì)算固體表面自由能的標(biāo)準(zhǔn)方法。固體表面能分為極性部分和色散部分，一般使用的測(cè)試液體是水，如有需要也可自備其他液體測(cè)試。

焊接學(xué)從學(xué)科分類屬于釬焊學(xué)，釬焊就是將比母材熔點(diǎn)低的金屬材料熔化，使其與母材結(jié)合到一起。釬焊有硬釬焊(熔點(diǎn)≥450℃) 和軟釬焊(熔點(diǎn)≤450℃的錫-鉛系焊料焊) 兩種。

用錫-鉛系焊料焊接銅、黃銅、銀、金等金屬時(shí)，焊料在金屬表面產(chǎn)生潤(rùn)濕，作為焊料成份的錫金屬就向母材金屬擴(kuò)散，在界面上行成合金屬，使兩者結(jié)合在一起。上述錫焊過(guò)程即是潤(rùn)濕-擴(kuò)散-冶金結(jié)合過(guò)程。

1.2 錫焊機(jī)理

所謂焊接就是在兩個(gè)金屬之間熔入焊料，通過(guò)加熱，焊錫和金屬互相擴(kuò)散而形成合金層，通過(guò)金屬鍵連接起來(lái)。也可以說(shuō)是由金屬表面的潤(rùn)濕現(xiàn)象而形成的連接方法。

這種連接最大的優(yōu)點(diǎn)就是幾乎看不出被焊件的變化。還有就是導(dǎo)電性能好、可得到足夠的機(jī)械強(qiáng)度、焊接所需工具簡(jiǎn)單、操作溫度低。

1.2.1 潤(rùn)濕

潤(rùn)濕是熔融焊料在被焊母材表面進(jìn)行充分的擴(kuò)展并形成一個(gè)附著層。

條件：必須要求焊料合母材表面清潔。

解決辦法：良好的焊接，必須使用助焊劑。助焊劑的作用在于熔解氧化物并使金屬表面活化，其最終目的是使焊料在母材表面產(chǎn)生良好的潤(rùn)濕。可以說(shuō)，潤(rùn)濕是焊接的首要條件，沒有潤(rùn)濕也就不可能焊接。

1.2.2 擴(kuò)散

用焊料焊接母材時(shí)，伴隨著潤(rùn)濕現(xiàn)象，還會(huì)產(chǎn)生焊料向母材擴(kuò)散的現(xiàn)象。

通常，金屬原子在晶格點(diǎn)陣中處于熱振動(dòng)狀態(tài)，一旦溫度升高，原子從一個(gè)晶格點(diǎn)陣中移到另一個(gè)晶格點(diǎn)陣的現(xiàn)象稱為擴(kuò)散現(xiàn)象，此時(shí)的移動(dòng)速度和擴(kuò)散數(shù)量取決于加熱溫度和時(shí)間。

從現(xiàn)象上看，擴(kuò)散可分為四類：表面擴(kuò)散、晶內(nèi)擴(kuò)散、晶界擴(kuò)散、選擇擴(kuò)散。

1.2.3 冶金結(jié)合

要得到良好的焊接效果，必須生成適當(dāng)?shù)暮辖穑吹玫嚼喂痰囊苯鸾Y(jié)合狀態(tài)，通常必須得到固熔體或金屬間化合物。其冶金結(jié)合狀態(tài)，生成何種合金，組織狀態(tài)，厚度等，將決定焊點(diǎn)的強(qiáng)度和理化特性。

1.3  錫焊要素及相互作用

錫焊有關(guān)的系統(tǒng)由：母材、助焊劑、焊料等三個(gè)基本要素組成。

為了真正的了解錫焊的現(xiàn)象，不僅應(yīng)知道個(gè)別的物理特性(強(qiáng)度、熔點(diǎn)、表面張力、粘度等)，對(duì)各要素的相互作用進(jìn)行探討也是非常必要的。

近代錫焊理論深入的探討了錫焊母材和焊料之間的作用，對(duì)潤(rùn)濕、擴(kuò)散、合金層的形成(特別是定量的得出在何種溫度形成何種合金)以及對(duì)熔蝕現(xiàn)象給出了定性和定量的解釋。錫焊理論還進(jìn)一步探討了當(dāng)介入助焊劑之后發(fā)生的變化，這就更接近于實(shí)踐的過(guò)程，從而建立了三角關(guān)系。

1.4 助焊劑與母材的反應(yīng)

進(jìn)行錫焊首要條件是熔融焊料能與母材良好的潤(rùn)濕。潤(rùn)濕是焊接的最基本的因素，沒有潤(rùn)濕就不可能焊接。

1.4.1. 去除氧化膜

金屬表面覆蓋氧化膜的情形很多。為了使母材表面能很好的潤(rùn)濕，必須去除氧化膜，助焊劑就是起到把母材表面的氧化膜進(jìn)行化學(xué)溶解或還原的作用。

a) 用松香去除氧化膜：松香是錫焊通用的助焊劑。它主要成分是松香酸，該酸具有去除氧化膜的作用。松香的熔點(diǎn)在74℃以下和300℃以上則無(wú)活性。松香酸在常溫下不能和Cu2O起反應(yīng)，約在170℃呈活性反應(yīng)能去除氧化膜，所以作為焊性用助焊劑是適合的。

b) 熔融鹽去除氧化膜：一般用溶融鹽去除氧化膜就是用Cl-、F-使母材氧化物變成氯化物或氟化物。根據(jù)反應(yīng)結(jié)果能否生成氯化物或氟化物即可判斷助焊劑能否去除氧化物。

焊接的基本要求

焊接的基本要求表現(xiàn)在4個(gè)方面：焊點(diǎn)應(yīng)接觸良好，焊點(diǎn)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，焊點(diǎn)的外觀應(yīng)美觀，元器件不能受到電、熱、機(jī)械的選應(yīng)力損傷(持別貼片元器件)。

1.6.1 焊點(diǎn)應(yīng)接觸良好

a) 形成合金層

保證被焊件間能穩(wěn)定可靠，通過(guò)一定的電流就必須做到焊料與被焊件的表面形成合金層。而決不是把焊料簡(jiǎn)單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。這樣未形成合金層或部分形成合金的焊點(diǎn)被稱為虛焊。

虛焊的焊點(diǎn)在短期內(nèi)可能發(fā)現(xiàn)不了問(wèn)題，但是時(shí)間一長(zhǎng)，未形成合金的表面經(jīng)過(guò)氧化，使接觸電阻變大，就會(huì)出現(xiàn)通過(guò)的電流變小或通不過(guò)電流造成開路。此時(shí)，焊點(diǎn)的外觀(表面)未發(fā)生變化，用眼睛不易檢查出來(lái)，即使用儀器檢查也不容易準(zhǔn)確判斷。因此，要想使電子產(chǎn)品能長(zhǎng)期可靠的工作，至關(guān)重要的是一定要消滅虛焊現(xiàn)象。

b) 潤(rùn)濕機(jī)理

焊點(diǎn)的接觸是否良好，一般用潤(rùn)濕角表達(dá)，如見圖1所示：

放置一液滴在固體表面時(shí)，根據(jù)固體與液體的性質(zhì)，液滴將具有一定的形狀。如下。

此時(shí)把液體固體處接觸的夾角稱為接觸角(也稱潤(rùn)濕角)。潤(rùn)濕角是焊料與被焊件溶合交界點(diǎn)處，在焊料園孤面上該點(diǎn)處作的切線與被焊件平面之間、從焊接中心形成的夾角。

它是衡量潤(rùn)濕性的尺度。一般有下列幾種情況(見圖3)：

幾種潤(rùn)濕角圖解

α=180°，表示全不潤(rùn)濕，即焊料只是放在被焊件的表面上，全沒有形成合金層。

180°>α≥90°，表示不潤(rùn)濕，即焊料只是堆附在被焊件的表面上，少許形成合金層。

30°<α<90°，只能表示半潤(rùn)濕，即部分形成合金。

α<30°，表示全潤(rùn)濕，即形成了全的合金層。

一個(gè)好的焊點(diǎn)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)就是看焊點(diǎn)是否全部潤(rùn)濕接觸。良好的焊接沒有半潤(rùn)濕和不潤(rùn)濕。

1.6.2 焊點(diǎn)具有足夠的強(qiáng)度

為使焊件不致脫落，焊點(diǎn)必須具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。錫鉛焊料的主要成分是錫和鉛，這兩種金屬的機(jī)械強(qiáng)度都比較低，為增加焊點(diǎn)的強(qiáng)度，一般要求被焊件端子的表面形成合金層的面積要足夠大，以增加焊接點(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度。焊點(diǎn)的焊料太少，強(qiáng)度當(dāng)然不夠。焊料過(guò)多，不但不會(huì)增加焊點(diǎn)的強(qiáng)度，反而會(huì)增加焊料的消耗，還容易造成短路或虛焊等其它問(wèn)題。

1.6.3 焊點(diǎn)的外觀美觀

焊點(diǎn)表面應(yīng)呈現(xiàn)出光滑狀態(tài)，不應(yīng)出現(xiàn)棱角或拉尖等現(xiàn)象。

產(chǎn)生拉尖的原因與焊接溫度、時(shí)間、撤去烙鐵頭的方向(運(yùn)動(dòng)軌跡)、速度及焊劑等因素有關(guān)。

1.6.4 元器件不能受損傷

a) 元器件在焊接過(guò)程中易受外界施加的機(jī)械過(guò)應(yīng)力(引腳成形、與焊盤孔不匹配、焊后引腳存在內(nèi)應(yīng)力)、熱過(guò)應(yīng)力(超過(guò)元器件耐熱限度、溫度激變、基板與元器件熱膨脹系數(shù)不匹配)和電過(guò)應(yīng)力(漏電、靜電、放電)而損傷。已裝機(jī)的元容器件損傷，一般用肉眼是看不出來(lái)的，必須借助于顯微鏡外觀質(zhì)量檢查、熱成像儀檢查元器件內(nèi)部過(guò)熱點(diǎn)的排查、高可靠環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)(高溫貯存試驗(yàn)、溫度沖擊或循環(huán)試驗(yàn)、振動(dòng)試驗(yàn))和電應(yīng)力試驗(yàn)(高溫電老煉試驗(yàn)和三溫測(cè)試)等試驗(yàn)才能暴露早期失效的產(chǎn)品，而輕傷還是無(wú)法有效剔除。從元器件使用失效分析統(tǒng)計(jì)，近半元器件使用失效與電裝操作不當(dāng)有關(guān)，特別是在貼片元器件使用不當(dāng)造成失效的案例特別多。

b) 無(wú)鉛元器件、貼片元器件手工焊接更容易損傷，在國(guó)外電子產(chǎn)品除返修之外，一般均不再采用手工焊了，因手工焊接時(shí)受外界不確定的人為因素太多，無(wú)法有效控制。但手工焊並非不能應(yīng)用，國(guó)內(nèi)航天均會(huì)走過(guò)這個(gè)過(guò)程，因此在不具備載流焊等電裝工藝之前，從須加強(qiáng)專項(xiàng)的貼片元器件電裝知識(shí)的培訓(xùn)，除熟知相關(guān)電裝標(biāo)準(zhǔn)、焊接知識(shí)之外，還要提高每個(gè)人的實(shí)際操作技能和考核、日常有效監(jiān)督、檢查顯得十分重要和迫切，我們切不能輕視。