熔滴與平面和角形結(jié)構(gòu)碰撞的動(dòng)態(tài)行為及形態(tài).pdf

1、電子互連接頭的形態(tài)與其可靠性密切相關(guān)。隨著封裝結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜化以及新的互連方法的不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)的形態(tài)預(yù)測(cè)方法已經(jīng)不能滿足應(yīng)用的需要。本文建立了基于流體動(dòng)力學(xué)的VOF兩相流形態(tài)預(yù)測(cè)模型，模型中流體被認(rèn)為是氣體和液體的混合物，整個(gè)計(jì)算域求解一套流動(dòng)和傳熱方程；自由表面根據(jù)流體體積(Volume of Fluid,VOF)函數(shù)通過(guò)分段線性的方法進(jìn)行重構(gòu)；表面張力通過(guò)連續(xù)表面力的方法轉(zhuǎn)換為動(dòng)量方程的源項(xiàng)；相變采用焓-孔隙度的方法進(jìn)行處理；釬料與

2、基板之間的潤(rùn)濕通過(guò)施加壁面粘附邊界條件考慮。由動(dòng)量守恒方程、連續(xù)性方程、流體體積守恒方程以及能量守恒方程構(gòu)成的控制微分方程組通過(guò)基于有限體積的流體力學(xué)通用求解器Fluent進(jìn)行求解。
　　從潤(rùn)濕性、焊盤形狀、阻焊層、橋連以及復(fù)雜表面結(jié)構(gòu)等幾個(gè)方面考察了VOF模型對(duì)重熔接頭形態(tài)的預(yù)測(cè)能力，結(jié)果表明：相對(duì)于傳統(tǒng)的Surface Evolver模型，本文建立的模型可以計(jì)算大釬料量條件下釬料流出焊盤的過(guò)程以及接頭成形過(guò)程中的形態(tài)演變。此外

3、，該模型還可以計(jì)算熔融釬料的合并與分離，方便預(yù)測(cè)橋連接頭以及其它具有更復(fù)雜結(jié)構(gòu)接頭的形態(tài)。通過(guò)與試驗(yàn)及Surface Evolver的結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，VOF模型對(duì)重熔接頭形態(tài)預(yù)測(cè)的精度很高。
　　采用VOF形態(tài)模型對(duì)熔滴正碰和偏碰角形焊盤的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)熔滴碰撞焊盤后，沿焊盤交界線方向的變形較其它方向大，該方向的最大變形可以作為接頭是否發(fā)生橋連的主要判據(jù)。從碰撞開始到熔滴沿焊盤交界線方向達(dá)到最大鋪展的過(guò)程中，動(dòng)能減小，粘性耗

4、散增加，表面能先減小后增加，熔滴的重力勢(shì)能很小可以忽略。整個(gè)碰撞過(guò)程中，焊盤上最大剪切應(yīng)力出現(xiàn)在接觸線附近區(qū)域，而熔滴表面形狀有突變的地方則是渦量與應(yīng)變率最大的地方。為了研究氣泡的形成機(jī)制，本文通過(guò)增加網(wǎng)格密度對(duì)熔滴碰撞角形焊盤前的過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，熔滴正碰過(guò)程中，熔滴底部的氣體在碰撞過(guò)程中被壓縮，氣體壓力變大，導(dǎo)致底部向上發(fā)生凹曲變形，凹曲變形后的熔滴底部容易捕獲空氣，形成氣泡；而偏碰過(guò)程中，熔滴在一側(cè)焊盤發(fā)生變形后，會(huì)向另外一

5、側(cè)焊盤運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中氣體被及時(shí)排除，因此最終無(wú)氣孔出現(xiàn)。此外，還定量分析了熔滴直徑、碰撞速度和焊盤夾角對(duì)熔滴碰撞角形焊盤熔滴形態(tài)的影響，有助于控制與優(yōu)化釬料熔滴噴射工藝。
　　設(shè)計(jì)了毫米級(jí)別熔滴碰撞涂有釬劑鍍銅板以及未涂有釬劑鍍銅板的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明熔滴碰撞有釬劑基板會(huì)發(fā)生完全反彈，而碰撞無(wú)釬劑基板最終形成錐狀凸點(diǎn)。高速攝像試驗(yàn)和本文模型的計(jì)算結(jié)果吻合良好。對(duì)于微米級(jí)別熔滴噴射凸點(diǎn)成形過(guò)程，模擬結(jié)果表明，若熔滴存在振蕩，振蕩和

6、凝固的耦合使得成形后的凸點(diǎn)具有表面波紋結(jié)構(gòu)；若熔滴在回縮過(guò)程發(fā)生了完全凝固，則形成的凸點(diǎn)表面光滑。凝固對(duì)于凸點(diǎn)的成形具有重要影響，一方面凝固增加了熔滴振蕩的阻尼，導(dǎo)致振蕩次數(shù)減?。涣硗庖环矫婺淘斐蓜?dòng)能的損失，使熔滴的最大鋪展減小。此外，凝固還減弱了熔滴與環(huán)境氣體以及熔滴與焊盤的相互作用。凸點(diǎn)成形過(guò)程中各能量之間的轉(zhuǎn)換滿足能量守恒定律，具體過(guò)程如下：動(dòng)能呈現(xiàn)衰減振蕩的趨勢(shì)；表面能呈現(xiàn)前期振蕩，后期單調(diào)減小，粘性耗散隨時(shí)間單調(diào)增加；而重力

7、勢(shì)能很小，可以忽略。
　　采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法對(duì)影響熔滴成形的因素進(jìn)行分析，結(jié)果表明碰撞速度、熔滴尺寸和熔滴初始溫度是影響凸點(diǎn)高度的顯著性因素，碰撞速度、熔滴尺寸是影響凸點(diǎn)底部直徑的顯著性因素。為了揭示單一因素對(duì)凸點(diǎn)形態(tài)的具體影響，還采用單因素分析的方法，依次研究了碰撞速度、熔滴直徑、熔滴溫度、基板溫度以及接觸熱阻的各自影響。單因素分析一方面可以證明正交試驗(yàn)的正確性，說(shuō)明本文獲得的結(jié)論具有廣泛性和代表性；另外一方面還可以研究不同