超声作用下Cu/Sn固液体系溶解行为及其数值模拟研究
发布时间：2021-07-23 03:22
目前,锡基无铅钎料与铜母材的钎焊已经广泛应用到了电子封装产业之中,但是关于如何保证焊点的质量仍然是一个重要的研究课题。针对这一课题,学者们纷纷提出了很多方法,例如通过施加电场、磁场、声场等物理场以及它们之间复合作用的复合场在内的诸多方法来提高焊点的可靠性。其中,超声波辅助钎焊被认为是一种绿色高效,充满前景的连接方法。当前有关超声辅助钎焊的研究大多数集中在超声效应破除氧化膜、促进界面润湿等方面,但是有关声场作用下的金属母材的溶解机制和传质机理鲜有研究。因此本文以Cu/Sn体系作为研究对象,通过实验结合有限元模拟的方法,对超声波作用下固体金属在液态金属中的溶解机制和固/液传质机理进行了系统研究。本文利用多物理场耦合数值计算软件COMSOL Multiphysics 5.4模拟出在不同参数的功率超声作用下熔融锡钎料中声压分布情况,得到锡液中有可能发生空化的区域,即空化活动区,再导出Cu/Sn固液界面处的声压,用此处的声压计算了空化气泡坍塌时Cu/Sn固液界面的有效温度和压力,并且模拟了熔池内因超声振动产生的流场分布,利用以上数据对实验结果进行了理论分析。采用浸没法研究了在523 K、553 ...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电子封装示意图[8]
超声作用下Cu/Sn固液体系溶解行为及其数值模拟研究2图1.2电子封装尺寸结构发展变化路线图[10]为了适应越来越苛刻的钎焊条件和要求，诸如让异种材料金属/陶瓷、金属/玻璃以及性能相差较大的金属之间得到有效连接，得到一种高质量的焊点。学者们提出了很多方法[18-21]，例如有的观点是通过施加电尝磁尝声场等物理场以及它们之间复合作用的组合场在内的诸多方法来增强焊点的可靠性；有的观点是开发高性能的钎料来实现高效连接；有的则是综合了外场辅助和活性钎料的方法来共同实现异种材料连接[22-26]。其中，超声波辅助连接被认为是一种绿色高效，充满前景的钎焊方法。Chen等人[27]发现采用超声波辅助连接铝合金时，由于一定频率的超声波在钎料中传播时产生的空化作用可破除铝合金表面的氧化膜，从而减少了钎剂的使用，提高焊接质量；Shao等人[28]在超声波辅助下实现了Ag/Sn/Ag在大气中的快速瞬时液相(TLP)连接，研究发现：在Ag/Sn界面处形成了细长的扇贝状Ag3Sn，超声波作用会使相邻晶粒之间的晶界变宽，从而为Ag原子的扩散提供稳定的熔融通道，实现快速连接；俞伟元等人[29]发现通过改变超声时间来控制Cu/Sn界面金属间化合物的厚度，从而改善钎焊接头性能。Li等人[30]研究了在超声波的作用下Al基板在锡钎料中的溶解行为，在接头中观察到了花瓣状颗粒，这种颗粒被认为是从母材上剥离的Al颗粒。然而，Guo等人[31]则认为这些花瓣状颗粒是Al溶解后沉淀析出的α-Al相，并不是来自于母材。综上所述可见，超声波振动能促进固体金属在液态金属中的快速溶解，但其溶解机理还鲜有研究，已有的研究结果还缺乏实验和理论验证。现有的溶解机制还不能解释超声波作用下的溶解行为，因此本文以Cu/Sn体系作为研究对象，通过实验结合有限元模拟的方法，研究超声波在
硕士学位论文5气泡在破灭的瞬间会把前期吸收的能量转换为其他形式的能量并且在极短的时间内释放出来，从而在泡内形成高温高压等现象，其瞬时温度可以达几千开尔文K甚至更高[50]，温度变化率可高达109K/s[51]，瞬间压强可达到数百乃至上千个标准大气压[52]；在空化气泡外边界极小的空间内的液相层(厚度大概为250nm左右)的温度也可高达1900K[53]。这些瞬间产生的超高温度、压力，会引发许多力学、物理、化学、生物效应，如金属的溶蚀、生物组织的破坏和化学反应的加快等。图1.3空化过程示意图[49]总之，一般认为超声空化泡坍塌之后会产生诸如湍动效应、表面效应、微扰效应和聚能效应等[54,55]。湍动效应是指由于微射流、冲击波和声流等作用相当于对液体的一种机械搅拌作用，这会引起液流的宏观湍动，从而加强固/液扩散的现象；表面效应是指超声空化的微射流、冲击流等会对液/固界面产生冲击、剥离和侵蚀作用，进而使相界面得以更新，而伴随的活化效应能创造活性表面，强化物质传递的现象；微扰效应是指微射流和冲击波导致的多微孔介质内的微扰动作用，使微孔内物质扩散得到加强的现象；聚能效应是指局部的高温、高压、声致发光等会破坏物质分子与固体表面分子间的结合键，使介质得以活化的现象。1995年Crum等人[56]采用高速摄像机捕捉到了空化泡坍塌瞬间液滴的形貌，这个液滴的立体图像近似圆锥形，如图1.4(a)所示。图1.4空化泡坍塌瞬间[56,57]2003年陈永增等人[57]为了研究了空化泡的生成、长大和坍塌等过程，将铝及Al-xSi合金箔放入装有不同液体的超声波清洗机内，清洗5s之后得到了如图1.5(b)所示的破损图案。根据照片中材料表面所形成的凹穴径和应变能分析，推算出了
本文编号：3298490
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：60 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
电子封装示意图[8]
超声作用下Cu/Sn固液体系溶解行为及其数值模拟研究2图1.2电子封装尺寸结构发展变化路线图[10]为了适应越来越苛刻的钎焊条件和要求，诸如让异种材料金属/陶瓷、金属/玻璃以及性能相差较大的金属之间得到有效连接，得到一种高质量的焊点。学者们提出了很多方法[18-21]，例如有的观点是通过施加电尝磁尝声场等物理场以及它们之间复合作用的组合场在内的诸多方法来增强焊点的可靠性；有的观点是开发高性能的钎料来实现高效连接；有的则是综合了外场辅助和活性钎料的方法来共同实现异种材料连接[22-26]。其中，超声波辅助连接被认为是一种绿色高效，充满前景的钎焊方法。Chen等人[27]发现采用超声波辅助连接铝合金时，由于一定频率的超声波在钎料中传播时产生的空化作用可破除铝合金表面的氧化膜，从而减少了钎剂的使用，提高焊接质量；Shao等人[28]在超声波辅助下实现了Ag/Sn/Ag在大气中的快速瞬时液相(TLP)连接，研究发现：在Ag/Sn界面处形成了细长的扇贝状Ag3Sn，超声波作用会使相邻晶粒之间的晶界变宽，从而为Ag原子的扩散提供稳定的熔融通道，实现快速连接；俞伟元等人[29]发现通过改变超声时间来控制Cu/Sn界面金属间化合物的厚度，从而改善钎焊接头性能。Li等人[30]研究了在超声波的作用下Al基板在锡钎料中的溶解行为，在接头中观察到了花瓣状颗粒，这种颗粒被认为是从母材上剥离的Al颗粒。然而，Guo等人[31]则认为这些花瓣状颗粒是Al溶解后沉淀析出的α-Al相，并不是来自于母材。综上所述可见，超声波振动能促进固体金属在液态金属中的快速溶解，但其溶解机理还鲜有研究，已有的研究结果还缺乏实验和理论验证。现有的溶解机制还不能解释超声波作用下的溶解行为，因此本文以Cu/Sn体系作为研究对象，通过实验结合有限元模拟的方法，研究超声波在
硕士学位论文5气泡在破灭的瞬间会把前期吸收的能量转换为其他形式的能量并且在极短的时间内释放出来，从而在泡内形成高温高压等现象，其瞬时温度可以达几千开尔文K甚至更高[50]，温度变化率可高达109K/s[51]，瞬间压强可达到数百乃至上千个标准大气压[52]；在空化气泡外边界极小的空间内的液相层(厚度大概为250nm左右)的温度也可高达1900K[53]。这些瞬间产生的超高温度、压力，会引发许多力学、物理、化学、生物效应，如金属的溶蚀、生物组织的破坏和化学反应的加快等。图1.3空化过程示意图[49]总之，一般认为超声空化泡坍塌之后会产生诸如湍动效应、表面效应、微扰效应和聚能效应等[54,55]。湍动效应是指由于微射流、冲击波和声流等作用相当于对液体的一种机械搅拌作用，这会引起液流的宏观湍动，从而加强固/液扩散的现象；表面效应是指超声空化的微射流、冲击流等会对液/固界面产生冲击、剥离和侵蚀作用，进而使相界面得以更新，而伴随的活化效应能创造活性表面，强化物质传递的现象；微扰效应是指微射流和冲击波导致的多微孔介质内的微扰动作用，使微孔内物质扩散得到加强的现象；聚能效应是指局部的高温、高压、声致发光等会破坏物质分子与固体表面分子间的结合键，使介质得以活化的现象。1995年Crum等人[56]采用高速摄像机捕捉到了空化泡坍塌瞬间液滴的形貌，这个液滴的立体图像近似圆锥形，如图1.4(a)所示。图1.4空化泡坍塌瞬间[56,57]2003年陈永增等人[57]为了研究了空化泡的生成、长大和坍塌等过程，将铝及Al-xSi合金箔放入装有不同液体的超声波清洗机内，清洗5s之后得到了如图1.5(b)所示的破损图案。根据照片中材料表面所形成的凹穴径和应变能分析，推算出了
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