Sn基液態(tài)釬焊界面氣泡及IMC生長數(shù)值模擬研究.pdf

1、隨著電子封裝工業(yè)不斷小型化、無鉛化，焊點(diǎn)的可靠性也引起了廣大研究者的高度重視。在以銅為基體的錫基釬料焊點(diǎn)或?qū)咏宇^結(jié)構(gòu)中，除釬料/基體界面生成脆性IMC的厚度和形狀是影響焊接強(qiáng)度的關(guān)鍵因素外，界面區(qū)的氣泡和微孔洞等缺陷可降低焊點(diǎn)有效連接面積，并會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，同樣是導(dǎo)致焊點(diǎn)失效的重要隱患。因此，深入研究界面氣泡生長、演化行為;界面IMC生長行為;氣泡存在對界面IMC生長影響等，不僅可以深入闡明釬焊機(jī)理，同時(shí)對提高釬焊接頭可靠性有重要的理

2、論指導(dǎo)意義。本文應(yīng)用同步輻射實(shí)時(shí)成像技術(shù)及常規(guī)釬焊試驗(yàn)對界面氣泡進(jìn)行了深入研究，并對溫度梯度與電勢梯度作用下釬焊過程中界面IMC的生長行為進(jìn)行了研究，利用以上研究結(jié)果，結(jié)合數(shù)值模擬手段，重點(diǎn)創(chuàng)建了FEM模型、AEH方法和DANPHE軟件，引用FVM模型和Elmer軟件、FiPy軟件對釬焊過程氣泡生長、演化行為及場梯度條件下界面IMC生長行為進(jìn)行了模擬分析，獲得以下結(jié)果:
　　(1)應(yīng)用同步輻射實(shí)時(shí)成像技術(shù)對液態(tài)Sn/Cu界面上初始

3、直徑為20μm的氣泡生長進(jìn)行在線觀察，以此為基礎(chǔ)創(chuàng)建一種基于有限元法的數(shù)值模型(FEM)引用Elmer軟件對此過程進(jìn)行模擬分析。同步輻射結(jié)果顯示，動(dòng)態(tài)生長界面IMCs上的氣泡生長會(huì)經(jīng)歷一個(gè)由潤濕控制的轉(zhuǎn)變過程:氣泡與IMCs的接觸角會(huì)從最初的鈍角不斷減小，向直角（半球氣泡點(diǎn)）、銳角轉(zhuǎn)化，直到氣泡完全變?yōu)閳A形達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡;數(shù)值模擬結(jié)果顯示，氣泡與IMCs接觸角越大，氣泡的最終尺寸也越大，相同的釬焊時(shí)間內(nèi)平均生長速度就越大;綜合同步輻射和數(shù)

4、值模擬結(jié)果可知，氣泡在早期生長較快，后期生長較慢。
　　(2)研究氣泡對界面IMCs生長影響發(fā)現(xiàn)，氣泡的存在阻隔了釬料和銅基體的反應(yīng)，將界面IMC劃分為不生長、半生長和全生長三類IMCs。不生長IMC是指氣泡正下方，由于受到氣泡的阻礙釬料無法與基板接觸，完全不能生長的IMC;半生長IMC是指臨近氣泡區(qū)域，受到氣泡的影響部分生長的IMC;全生長IMC是指遠(yuǎn)離氣泡，不受氣泡影響而完全生長的IMC。因此，根據(jù)半生長和全生長IMC的界限可

5、以預(yù)測氣泡的尺寸。
　　(3)在含有氣泡的液固界面上，釬料中氣泡的存在會(huì)導(dǎo)致周圍材料物理性能的變化，進(jìn)而影響釬焊過程。應(yīng)用以FEM模型為基礎(chǔ)的漸進(jìn)擴(kuò)展均勻化AEH方法，模擬計(jì)算出含氣泡熔融焊料中垂直界面方向Cu的有效擴(kuò)散系數(shù)和Sn熱導(dǎo)率等影響釬焊物理參數(shù)的變化，以此評估氣泡存在時(shí)釬焊焊點(diǎn)的質(zhì)量。
　　(4)在溫度梯度下IMC生長研究中，創(chuàng)立了一種以MOOSE結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的DANPHE軟件，應(yīng)用FEM模型對釬焊過程進(jìn)行了模擬，模

6、擬結(jié)果與常規(guī)釬焊和同步輻射實(shí)時(shí)成像技術(shù)測得是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合，模型應(yīng)用準(zhǔn)確。結(jié)果顯示:相對250℃，350℃純Sn體系對接焊點(diǎn)冷端IMC厚度較大，說明相同溫度梯度下，釬焊溫度越高，冷端IMC生長速率越快;同時(shí)發(fā)現(xiàn)，350℃下Sn3.5Ag釬料中冷端IMC生長厚度小于純Sn中IMC厚度，說明Ag3Sn的形成抑制了冷端界面IMC的生長。
　　(5)在電勢梯度試驗(yàn)條件下，應(yīng)用已創(chuàng)建的FEM模型/DANPHE軟件或引用FVM（有限元體積法）模

7、型/FiPy軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，同時(shí)應(yīng)用已創(chuàng)建的FEM模型/DANPHE軟件計(jì)算焦耳熱。結(jié)果顯示，模擬數(shù)據(jù)與同步輻射實(shí)時(shí)成像技術(shù)觀察陽極IMC生長行為（試驗(yàn)條件為250℃間距為450μm和1.234mm的Cu/Sn/Cu對接焊點(diǎn)分別通以0.56×103A/cm2和3.0×103A/cm2的電流進(jìn)行回流）的試驗(yàn)數(shù)據(jù)非常吻合，模型應(yīng)用準(zhǔn)確;電勢梯度下，陽極IMCs厚度隨釬焊時(shí)間呈線性增長，符合線性動(dòng)力學(xué)關(guān)系;電流密度越大，線性斜率越大，陽極I