超聲作用下Cu/Sn固液體系溶解行為及其數(shù)值模擬研究
發(fā)布時間：2021-07-23 03:22
目前,錫基無鉛釬料與銅母材的釬焊已經(jīng)廣泛應用到了電子封裝產(chǎn)業(yè)之中,但是關于如何保證焊點的質量仍然是一個重要的研究課題。針對這一課題,學者們紛紛提出了很多方法,例如通過施加電場、磁場、聲場等物理場以及它們之間復合作用的復合場在內的諸多方法來提高焊點的可靠性。其中,超聲波輔助釬焊被認為是一種綠色高效,充滿前景的連接方法。當前有關超聲輔助釬焊的研究大多數(shù)集中在超聲效應破除氧化膜、促進界面潤濕等方面,但是有關聲場作用下的金屬母材的溶解機制和傳質機理鮮有研究。因此本文以Cu/Sn體系作為研究對象,通過實驗結合有限元模擬的方法,對超聲波作用下固體金屬在液態(tài)金屬中的溶解機制和固/液傳質機理進行了系統(tǒng)研究。本文利用多物理場耦合數(shù)值計算軟件COMSOL Multiphysics 5.4模擬出在不同參數(shù)的功率超聲作用下熔融錫釬料中聲壓分布情況,得到錫液中有可能發(fā)生空化的區(qū)域,即空化活動區(qū),再導出Cu/Sn固液界面處的聲壓,用此處的聲壓計算了空化氣泡坍塌時Cu/Sn固液界面的有效溫度和壓力,并且模擬了熔池內因超聲振動產(chǎn)生的流場分布,利用以上數(shù)據(jù)對實驗結果進行了理論分析。采用浸沒法研究了在523 K、553 ...
【文章來源】：蘭州理工大學甘肅省
【文章頁數(shù)】：60 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
電子封裝示意圖[8]
超聲作用下Cu/Sn固液體系溶解行為及其數(shù)值模擬研究2圖1.2電子封裝尺寸結構發(fā)展變化路線圖[10]為了適應越來越苛刻的釬焊條件和要求，諸如讓異種材料金屬/陶瓷、金屬/玻璃以及性能相差較大的金屬之間得到有效連接，得到一種高質量的焊點。學者們提出了很多方法[18-21]，例如有的觀點是通過施加電嘗磁嘗聲場等物理場以及它們之間復合作用的組合場在內的諸多方法來增強焊點的可靠性；有的觀點是開發(fā)高性能的釬料來實現(xiàn)高效連接；有的則是綜合了外場輔助和活性釬料的方法來共同實現(xiàn)異種材料連接[22-26]。其中，超聲波輔助連接被認為是一種綠色高效，充滿前景的釬焊方法。Chen等人[27]發(fā)現(xiàn)采用超聲波輔助連接鋁合金時，由于一定頻率的超聲波在釬料中傳播時產(chǎn)生的空化作用可破除鋁合金表面的氧化膜，從而減少了釬劑的使用，提高焊接質量；Shao等人[28]在超聲波輔助下實現(xiàn)了Ag/Sn/Ag在大氣中的快速瞬時液相(TLP)連接，研究發(fā)現(xiàn)：在Ag/Sn界面處形成了細長的扇貝狀Ag3Sn，超聲波作用會使相鄰晶粒之間的晶界變寬，從而為Ag原子的擴散提供穩(wěn)定的熔融通道，實現(xiàn)快速連接；俞偉元等人[29]發(fā)現(xiàn)通過改變超聲時間來控制Cu/Sn界面金屬間化合物的厚度，從而改善釬焊接頭性能。Li等人[30]研究了在超聲波的作用下Al基板在錫釬料中的溶解行為，在接頭中觀察到了花瓣狀顆粒，這種顆粒被認為是從母材上剝離的Al顆粒。然而，Guo等人[31]則認為這些花瓣狀顆粒是Al溶解后沉淀析出的α-Al相，并不是來自于母材。綜上所述可見，超聲波振動能促進固體金屬在液態(tài)金屬中的快速溶解，但其溶解機理還鮮有研究，已有的研究結果還缺乏實驗和理論驗證�，F(xiàn)有的溶解機制還不能解釋超聲波作用下的溶解行為，因此本文以Cu/Sn體系作為研究對象，通過實驗結合有限元模擬的方法，研究超聲波在
碩士學位論文5氣泡在破滅的瞬間會把前期吸收的能量轉換為其他形式的能量并且在極短的時間內釋放出來，從而在泡內形成高溫高壓等現(xiàn)象，其瞬時溫度可以達幾千開爾文K甚至更高[50]，溫度變化率可高達109K/s[51]，瞬間壓強可達到數(shù)百乃至上千個標準大氣壓[52]；在空化氣泡外邊界極小的空間內的液相層(厚度大概為250nm左右)的溫度也可高達1900K[53]。這些瞬間產(chǎn)生的超高溫度、壓力，會引發(fā)許多力學、物理、化學、生物效應，如金屬的溶蝕、生物組織的破壞和化學反應的加快等。圖1.3空化過程示意圖[49]總之，一般認為超聲空化泡坍塌之后會產(chǎn)生諸如湍動效應、表面效應、微擾效應和聚能效應等[54,55]。湍動效應是指由于微射流、沖擊波和聲流等作用相當于對液體的一種機械攪拌作用，這會引起液流的宏觀湍動，從而加強固/液擴散的現(xiàn)象；表面效應是指超聲空化的微射流、沖擊流等會對液/固界面產(chǎn)生沖擊、剝離和侵蝕作用，進而使相界面得以更新，而伴隨的活化效應能創(chuàng)造活性表面，強化物質傳遞的現(xiàn)象；微擾效應是指微射流和沖擊波導致的多微孔介質內的微擾動作用，使微孔內物質擴散得到加強的現(xiàn)象；聚能效應是指局部的高溫、高壓、聲致發(fā)光等會破壞物質分子與固體表面分子間的結合鍵，使介質得以活化的現(xiàn)象。1995年Crum等人[56]采用高速攝像機捕捉到了空化泡坍塌瞬間液滴的形貌，這個液滴的立體圖像近似圓錐形，如圖1.4(a)所示。圖1.4空化泡坍塌瞬間[56,57]2003年陳永增等人[57]為了研究了空化泡的生成、長大和坍塌等過程，將鋁及Al-xSi合金箔放入裝有不同液體的超聲波清洗機內，清洗5s之后得到了如圖1.5(b)所示的破損圖案。根據(jù)照片中材料表面所形成的凹穴徑和應變能分析，推算出了
本文編號：3298490
【文章來源】：蘭州理工大學甘肅省
【文章頁數(shù)】：60 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
電子封裝示意圖[8]
超聲作用下Cu/Sn固液體系溶解行為及其數(shù)值模擬研究2圖1.2電子封裝尺寸結構發(fā)展變化路線圖[10]為了適應越來越苛刻的釬焊條件和要求，諸如讓異種材料金屬/陶瓷、金屬/玻璃以及性能相差較大的金屬之間得到有效連接，得到一種高質量的焊點。學者們提出了很多方法[18-21]，例如有的觀點是通過施加電嘗磁嘗聲場等物理場以及它們之間復合作用的組合場在內的諸多方法來增強焊點的可靠性；有的觀點是開發(fā)高性能的釬料來實現(xiàn)高效連接；有的則是綜合了外場輔助和活性釬料的方法來共同實現(xiàn)異種材料連接[22-26]。其中，超聲波輔助連接被認為是一種綠色高效，充滿前景的釬焊方法。Chen等人[27]發(fā)現(xiàn)采用超聲波輔助連接鋁合金時，由于一定頻率的超聲波在釬料中傳播時產(chǎn)生的空化作用可破除鋁合金表面的氧化膜，從而減少了釬劑的使用，提高焊接質量；Shao等人[28]在超聲波輔助下實現(xiàn)了Ag/Sn/Ag在大氣中的快速瞬時液相(TLP)連接，研究發(fā)現(xiàn)：在Ag/Sn界面處形成了細長的扇貝狀Ag3Sn，超聲波作用會使相鄰晶粒之間的晶界變寬，從而為Ag原子的擴散提供穩(wěn)定的熔融通道，實現(xiàn)快速連接；俞偉元等人[29]發(fā)現(xiàn)通過改變超聲時間來控制Cu/Sn界面金屬間化合物的厚度，從而改善釬焊接頭性能。Li等人[30]研究了在超聲波的作用下Al基板在錫釬料中的溶解行為，在接頭中觀察到了花瓣狀顆粒，這種顆粒被認為是從母材上剝離的Al顆粒。然而，Guo等人[31]則認為這些花瓣狀顆粒是Al溶解后沉淀析出的α-Al相，并不是來自于母材。綜上所述可見，超聲波振動能促進固體金屬在液態(tài)金屬中的快速溶解，但其溶解機理還鮮有研究，已有的研究結果還缺乏實驗和理論驗證�，F(xiàn)有的溶解機制還不能解釋超聲波作用下的溶解行為，因此本文以Cu/Sn體系作為研究對象，通過實驗結合有限元模擬的方法，研究超聲波在
碩士學位論文5氣泡在破滅的瞬間會把前期吸收的能量轉換為其他形式的能量并且在極短的時間內釋放出來，從而在泡內形成高溫高壓等現(xiàn)象，其瞬時溫度可以達幾千開爾文K甚至更高[50]，溫度變化率可高達109K/s[51]，瞬間壓強可達到數(shù)百乃至上千個標準大氣壓[52]；在空化氣泡外邊界極小的空間內的液相層(厚度大概為250nm左右)的溫度也可高達1900K[53]。這些瞬間產(chǎn)生的超高溫度、壓力，會引發(fā)許多力學、物理、化學、生物效應，如金屬的溶蝕、生物組織的破壞和化學反應的加快等。圖1.3空化過程示意圖[49]總之，一般認為超聲空化泡坍塌之后會產(chǎn)生諸如湍動效應、表面效應、微擾效應和聚能效應等[54,55]。湍動效應是指由于微射流、沖擊波和聲流等作用相當于對液體的一種機械攪拌作用，這會引起液流的宏觀湍動，從而加強固/液擴散的現(xiàn)象；表面效應是指超聲空化的微射流、沖擊流等會對液/固界面產(chǎn)生沖擊、剝離和侵蝕作用，進而使相界面得以更新，而伴隨的活化效應能創(chuàng)造活性表面，強化物質傳遞的現(xiàn)象；微擾效應是指微射流和沖擊波導致的多微孔介質內的微擾動作用，使微孔內物質擴散得到加強的現(xiàn)象；聚能效應是指局部的高溫、高壓、聲致發(fā)光等會破壞物質分子與固體表面分子間的結合鍵，使介質得以活化的現(xiàn)象。1995年Crum等人[56]采用高速攝像機捕捉到了空化泡坍塌瞬間液滴的形貌，這個液滴的立體圖像近似圓錐形，如圖1.4(a)所示。圖1.4空化泡坍塌瞬間[56,57]2003年陳永增等人[57]為了研究了空化泡的生成、長大和坍塌等過程，將鋁及Al-xSi合金箔放入裝有不同液體的超聲波清洗機內，清洗5s之后得到了如圖1.5(b)所示的破損圖案。根據(jù)照片中材料表面所形成的凹穴徑和應變能分析，推算出了
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