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熔滴与平面和角形结构碰撞的动态行为及形态

田德文  
【摘要】: 电子互连接头的形态与其可靠性密切相关。随着封装结构的日益复杂化以及新的互连方法的不断涌现,传统的形态预测方法已经不能满足应用的需要。本文建立了基于流体动力学的VOF两相流形态预测模型,模型中流体被认为是气体和液体的混合物,整个计算域求解一套流动和传热方程;自由表面根据流体体积(Volume of Fluid, VOF)函数通过分段线性的方法进行重构;表面张力通过连续表面力的方法转换为动量方程的源项;相变采用焓-孔隙度的方法进行处理;钎料与基板之间的润湿通过施加壁面粘附边界条件考虑。由动量守恒方程、连续性方程、流体体积守恒方程以及能量守恒方程构成的控制微分方程组通过基于有限体积的流体力学通用求解器Fluent进行求解。 从润湿性、焊盘形状、阻焊层、桥连以及复杂表面结构等几个方面考察了VOF模型对重熔接头形态的预测能力,结果表明:相对于传统的Surface Evolver模型,本文建立的模型可以计算大钎料量条件下钎料流出焊盘的过程以及接头成形过程中的形态演变。此外,该模型还可以计算熔融钎料的合并与分离,方便预测桥连接头以及其它具有更复杂结构接头的形态。通过与试验及Surface Evolver的结果对比发现,VOF模型对重熔接头形态预测的精度很高。 采用VOF形态模型对熔滴正碰和偏碰角形焊盘的动态过程进行研究,发现熔滴碰撞焊盘后,沿焊盘交界线方向的变形较其它方向大,该方向的最大变形可以作为接头是否发生桥连的主要判据。从碰撞开始到熔滴沿焊盘交界线方向达到最大铺展的过程中,动能减小,粘性耗散增加,表面能先减小后增加,熔滴的重力势能很小可以忽略。整个碰撞过程中,焊盘上最大剪切应力出现在接触线附近区域,而熔滴表面形状有突变的地方则是涡量与应变率最大的地方。为了研究气泡的形成机制,本文通过增加网格密度对熔滴碰撞角形焊盘前的过程进行计算,结果表明,熔滴正碰过程中,熔滴底部的气体在碰撞过程中被压缩,气体压力变大,导致底部向上发生凹曲变形,凹曲变形后的熔滴底部容易捕获空气,形成气泡;而偏碰过程中,熔滴在一侧焊盘发生变形后,会向另外一侧焊盘运动,运动过程中气体被及时排除,因此最终无气孔出现。此外,还定量分析了熔滴直径、碰撞速度和焊盘夹角对熔滴碰撞角形焊盘熔滴形态的影响,有助于控制与优化钎料熔滴喷射工艺。 设计了毫米级别熔滴碰撞涂有钎剂镀铜板以及未涂有钎剂镀铜板的对比试验,结果表明熔滴碰撞有钎剂基板会发生完全反弹,而碰撞无钎剂基板最终形成锥状凸点。高速摄像试验和本文模型的计算结果吻合良好。对于微米级别熔滴喷射凸点成形过程,模拟结果表明,若熔滴存在振荡,振荡和凝固的耦合使得成形后的凸点具有表面波纹结构;若熔滴在回缩过程发生了完全凝固,则形成的凸点表面光滑。凝固对于凸点的成形具有重要影响,一方面凝固增加了熔滴振荡的阻尼,导致振荡次数减小;另外一方面凝固造成动能的损失,使熔滴的最大铺展减小。此外,凝固还减弱了熔滴与环境气体以及熔滴与焊盘的相互作用。凸点成形过程中各能量之间的转换满足能量守恒定律,具体过程如下:动能呈现衰减振荡的趋势;表面能呈现前期振荡,后期单调减小,粘性耗散随时间单调增加;而重力势能很小,可以忽略。 采用正交试验设计的方法对影响熔滴成形的因素进行分析,结果表明碰撞速度、熔滴尺寸和熔滴初始温度是影响凸点高度的显著性因素,碰撞速度、熔滴尺寸是影响凸点底部直径的显著性因素。为了揭示单一因素对凸点形态的具体影响,还采用单因素分析的方法,依次研究了碰撞速度、熔滴直径、熔滴温度、基板温度以及接触热阻的各自影响。单因素分析一方面可以证明正交试验的正确性,说明本文获得的结论具有广泛性和代表性;另外一方面还可以研究不同因素对凝固时间以及凸点表面波纹的影响规律。


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