目前,錫基無(wú)鉛釬料與銅母材的釬焊已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了電子封裝產(chǎn)業(yè)之中,但是關(guān)于如何保證焊點(diǎn)的質(zhì)量仍然是一個(gè)重要的研究課題。針對(duì)這一課題,學(xué)者們紛紛提出了很多方法,例如通過施加電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)等物理場(chǎng)以及它們之間復(fù)合作用的復(fù)合場(chǎng)在內(nèi)的諸多方法來(lái)提高焊點(diǎn)的可靠性。其中,超聲波輔助釬焊被認(rèn)為是一種綠色高效,充滿前景的連接方法。當(dāng)前有關(guān)超聲輔助釬焊的研究大多數(shù)集中在超聲效應(yīng)破除氧化膜、促進(jìn)界面潤(rùn)濕等方面,但是有關(guān)聲場(chǎng)作用下的金屬母材的溶解機(jī)制和傳質(zhì)機(jī)理鮮有研究。因此本文以Cu/Sn體系作為研究對(duì)象,通過實(shí)驗(yàn)結(jié)合有限元模擬的方法,對(duì)超聲波作用下固體金屬在液態(tài)金屬中的溶解機(jī)制和固/液傳質(zhì)機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究。本文利用多物理場(chǎng)耦合數(shù)值計(jì)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(dòng)區(qū),再導(dǎo)出Cu/Sn固液界面處的聲壓,用此處的聲壓計(jì)算了空化氣泡坍塌時(shí)Cu/Sn固液界面的有效溫度和壓力,并且模擬了熔池內(nèi)因超聲振動(dòng)產(chǎn)生的流場(chǎng)分布,利用以上數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了理論分析。采用浸沒法研究了在523 K、553 ... 

【文章來(lái)源】：蘭州理工大學(xué)甘肅省

【文章頁(yè)數(shù)】：60 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)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(jié)構(gòu)發(fā)展變化路線圖[10]為了適應(yīng)越來(lái)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(zhì)量的焊點(diǎn)。學(xué)者們提出了很多方法[18-21]，例如有的觀點(diǎn)是通過施加電嘗磁嘗聲場(chǎng)等物理場(chǎng)以及它們之間復(fù)合作用的組合場(chǎng)在內(nèi)的諸多方法來(lái)增強(qiáng)焊點(diǎn)的可靠性；有的觀點(diǎn)是開發(fā)高性能的釬料來(lái)實(shí)現(xiàn)高效連接；有的則是綜合了外場(chǎng)輔助和活性釬料的方法來(lái)共同實(shí)現(xiàn)異種材料連接[22-26]。其中，超聲波輔助連接被認(rèn)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(shí)，由于一定頻率的超聲波在釬料中傳播時(shí)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(zhì)量；Shao等人[28]在超聲波輔助下實(shí)現(xiàn)了Ag/Sn/Ag在大氣中的快速瞬時(shí)液相(TLP)連接，研究發(fā)現(xiàn)：在Ag/Sn界面處形成了細(xì)長(zhǎng)的扇貝狀A(yù)g3Sn，超聲波作用會(huì)使相鄰晶粒之間的晶界變寬，從而為Ag原子的擴(kuò)散提供穩(wěn)定的熔融通道，實(shí)現(xiàn)快速連接；俞偉元等人[29]發(fā)現(xiàn)通過改變超聲時(shí)間來(lái)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?duì)铑w粒，這種顆粒被認(rèn)為是從母材上剝離的Al顆粒。然而，Guo等人[31]則認(rèn)為這些花瓣?duì)铑w粒是Al溶解后沉淀析出的α-Al相，并不是來(lái)自于母材。綜上所述可見，超聲波振動(dòng)能促進(jìn)固體金屬在液態(tài)金屬中的快速溶解，但其溶解機(jī)理還鮮有研究，已有的研究結(jié)果還缺乏實(shí)驗(yàn)和理論驗(yàn)證。現(xiàn)有的溶解機(jī)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(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)合有限元模擬的方法，研究超聲波在

碩士學(xué)位論文5氣泡在破滅的瞬間會(huì)把前期吸收的能量轉(zhuǎn)換為其他形式的能量并且在極短的時(shí)間內(nèi)釋放出來(lái)，從而在泡內(nèi)形成高溫高壓等現(xiàn)象，其瞬時(shí)溫度可以達(dá)幾千開爾文K甚至更高[50]，溫度變化率可高達(dá)109K/s[51]，瞬間壓強(qiáng)可達(dá)到數(shù)百乃至上千個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓[52]；在空化氣泡外邊界極小的空間內(nèi)的液相層(厚度大概為250nm左右)的溫度也可高達(dá)1900K[53]。這些瞬間產(chǎn)生的超高溫度、壓力，會(huì)引發(fā)許多力學(xué)、物理、化學(xué)、生物效應(yīng)，如金屬的溶蝕、生物組織的破壞和化學(xué)反應(yīng)的加快等。圖1.3空化過程示意圖[49]總之，一般認(rèn)為超聲空化泡坍塌之后會(huì)產(chǎn)生諸如湍動(dòng)效應(yīng)、表面效應(yīng)、微擾效應(yīng)和聚能效應(yīng)等[54,55]。湍動(dòng)效應(yīng)是指由于微射流、沖擊波和聲流等作用相當(dāng)于對(duì)液體的一種機(jī)械攪拌作用，這會(huì)引起液流的宏觀湍動(dòng)，從而加強(qiáng)固/液擴(kuò)散的現(xiàn)象；表面效應(yīng)是指超聲空化的微射流、沖擊流等會(huì)對(duì)液/固界面產(chǎn)生沖擊、剝離和侵蝕作用，進(jìn)而使相界面得以更新，而伴隨的活化效應(yīng)能創(chuàng)造活性表面，強(qiáng)化物質(zhì)傳遞的現(xiàn)象；微擾效應(yīng)是指微射流和沖擊波導(dǎo)致的多微孔介質(zhì)內(nèi)的微擾動(dòng)作用，使微孔內(nèi)物質(zhì)擴(kuò)散得到加強(qiáng)的現(xiàn)象；聚能效應(yīng)是指局部的高溫、高壓、聲致發(fā)光等會(huì)破壞物質(zhì)分子與固體表面分子間的結(jié)合鍵，使介質(zhì)得以活化的現(xiàn)象。1995年Crum等人[56]采用高速攝像機(jī)捕捉到了空化泡坍塌瞬間液滴的形貌，這個(gè)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(zhǎng)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(jī)內(nèi)，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(yīng)變能分析，推算出了


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