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熔体与固相之间的润湿特性及其界面微观机理研究不仅具有重要的科学意义,而且对于复合材料的制备加工、印刷、喷涂、焊接、钎焊等工业过程的优化具有重要的理论指导作用。工业过程中的操作表面往往是倾斜的,因此,研究倾斜状态下的润湿特性更能反映实际情况。鉴于目前倾斜状态下的润湿性研究理论和数据的匮乏,本文提出了一种涵盖水平和倾斜状态的表征体系润湿特性的负界面张力概念,研究了几种典型的锡基含铜无铅焊料的润湿特性,同时进行了铺展过程中界面反应热力学和动力学的研究,取得了以下创新性研究成果：
⑴提出了一种表征体系在水平和倾斜基板上润湿特性的负界面张力概念,并系统研究了二元的Sn-Ag系和三元的Sn-Ag-Cu系合金在水平和倾斜基板上的润湿特性、轮廓演变和滑动行为,分析了界面形貌和成分分布。接触角所表征的润湿性与负界面张力表征的润湿性结论一致。两元合金的润湿性小于三元合金,随着Cu含量增加和Ag含量减少,体系滞后性和界面反应粘结强度增强,润湿性变差,界面层厚度减小。合金在Cu基板上的润湿性大于Ni基板上的,而滞后性和界面层粘结强度小于Ni基板上的,可添加适量的Cu和Ni来提高焊料的综合性能。合金在水平基板上的轮廓演变及铺展过程经历六个阶段,在倾斜基板上的滑动行为经历五个阶段。温度低于594K时,Sn-3.5A/Cu体系的界面产物是由靠近焊料一侧扇贝形状的Cu6Sn5及靠近Cu侧的层状的Cu3Sn所组成的双层金属间化合物；温度高于744K时,体相Ag3Sn和界面层呈连续分布。
⑵阐明了Sn-3.5Ag在Cu、Ni和Al2O3基板上的铺展机理。Sn-3.5Ag在Cu基板上铺展激活能小于在Ni基板上的,即相同条件下Sn-3.5Ag在Cu上的铺展阻力较小,润湿性能优越。合金的铺展机理在700K时急剧变化,之前为热力学激活,之后为非热力学激活。低于700K时表面氧化物的去除是焊料在基板上铺展速率的限制步骤,700K时Cu、Ni表面的氧化膜Cu2O、NiO分解,高于700K时,Sn-3.5Ag在清洁基板表面快速铺展。Sn-3.5Ag与Al2O3基板的润湿过程是非反应性润湿,接触角随着温度的升高而单调减小,其铺展机理不随温度变化。
⑶Cu的添加提高了Sn-Ag-Cu/Cu体系界面反应的表观活化能,Sn-0.3Ag-0.7Cu/Cu体系的表观活化能比Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu体系减小了3.1kJ/mol,但比Sn-3.5Ag/Cu体系增加了2.8 kJ/mol,表观反应级数也由Sn-3.5A/Cu体系的1.35增加到Sn-3.0Ag-0.5Cu/Cu体系的1.63和Sn-0.3Ag-0.7Cu/Cu体系的2.23。说明Cu的添加,增加了界面反应的稳定性,避免了Cu基板的过多熔蚀,提高了焊接质量。Sn-Ag-Cu/Ni体系与之相反,界面反应活化能和反应级数随着Cu含量的增加依次减小,其稳定性依次减弱。Cu的加入,在一定程度上抑制了Sn-Ag-Cu/Cu体系的界面反应速度,加速了Sn-Ag-Cu/Ni体系的界面反应进程,从动力学角度反映了Sn-3.5Ag,Sn-3.0Ag-0.5Cu和Sn-0.3Ag-0.7Cu与Cu的界面稳定性依次减弱,Sn-0.3Ag-0.7Cu,Sn-3.0Ag-0.5Cu和Sn-3.5Ag对Ni基板的稳定性依次增强。
⑷研究了Sn-58Bi和Sn-Bi—Cu系合金的润湿特性以及基板粗糙度对润湿性的影响,结果表明:前者的滞后性和界面粘结强度大于后者,随着Cu加入和Bi含量的减少,Sn-17Bi-0.5Cu与Cu的反应润湿性增强,接触角明显减小,体系由界面反应所增强的润湿性大于由合金表面张力增加而减小的润湿性。Sn-Bi—Cu/Ni体系的滞后性和界面反应粘结强度大于Sn-Bi-Cu/Cu体系,但前者反应性较差,因此,可以在Sn—17Bi-0.5Cu合金中添加适量的Ni来提高焊料的综合性能。接触角大于90°时,表观接触角随着表面粗糙度的增加而增大,接触角小于90°时,其表观接触角随基板粗糙度的增加而减小,粗糙度变化范围较窄时对润湿性几乎没有影响。