【摘 要】
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CGA由于良好的抗热疲劳性能在电子封装领域受到广泛应用。传统Cu CGA通过带孔模具定位Cu柱实现回流焊接,带孔模具在拆卸过程中降低焊点连接质量,因此本课题组开发了无辅助模具摩擦焊接方法。使用微型精密钻台钻头夹紧Cu柱与钎料球对中,Cu柱高速旋转植入实现互连。为优化焊接工艺,本文考察焊接转速、加压、辅助加热加压条件下对摩擦焊焊点连接质量的影响,同时分析等温时效下焊点的组织及力学性能。焊接转速在40
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CGA由于良好的抗热疲劳性能在电子封装领域受到广泛应用。传统Cu CGA通过带孔模具定位Cu柱实现回流焊接,带孔模具在拆卸过程中降低焊点连接质量,因此本课题组开发了无辅助模具摩擦焊接方法。使用微型精密钻台钻头夹紧Cu柱与钎料球对中,Cu柱高速旋转植入实现互连。为优化焊接工艺,本文考察焊接转速、加压、辅助加热加压条件下对摩擦焊焊点连接质量的影响,同时分析等温时效下焊点的组织及力学性能。焊接转速在4000 r/min～8000 r/min范围内的焊点,由于热机耦合作用使内部组织分成搅拌区（Stir Zone,SZ）、热机影响区（Thermo-mechanically Affected Zone,TMAZ）和母材区（Base Material,BM）。Cu柱旋转下压与钎料摩擦过程中,钎料受到机械力作用形成飞边,接触界面通过原子扩散形成约0.9μm的Cu6Sn5化合物层。转速低于6000 r/min时热输入不足导致界面处局部未连接,平均拉脱载荷较低;转速高于6000 r/min时机械力过大导致界面局部未连接,平均拉脱载荷较低;转速6000 r/min的焊点界面连接良好,平均拉脱载荷最高,为39.82 N,形成飞边最小。不同转速下SZ中IMC颗粒细小,BM中IMC颗粒呈网状环绕β-Sn基体;转速在4000 r/min～5000r/min时,TMAZ呈现拉长变形组织;转速在6000 r/min～8000 r/min时,TMAZ拉长变形组织中弥散再结晶晶粒,再结晶程度低。转速为6000 r/min时,焊点内部SZ、TMAZ、BM平均压痕硬度分别为145.80 MPa、183.72MPa、225.01 MPa。为减小焊点飞边,在钻头加装静约束压力轴肩。在6000 r/min的最优转速下形成的加压摩擦焊焊点无飞边,平均拉脱载荷为50.69 N。焊点界面层成分为Cu6Sn5,压力加剧界面摩擦冶金反应,界面层厚度为1.38μm。SZ组织IMC颗粒细小,与未加压焊点相比,TMAZ再结晶程度较高,BM中IMC颗粒呈网状环绕β-Sn基体,压力促进IMC颗粒聚集成团簇网状组织。焊点内部SZ、TMAZ、BM平均压痕硬度分别为150.44 MPa、172.32 MPa、221.43 MPa。加压摩擦焊焊点底部界面峰值温度为120℃,在焊接过程中对焊点100℃辅助加热能提升界面峰值温度至150℃,促进界面原子扩散,界面层成分为Cu6Sn5,界面层厚度为1.61μm,有效降低焊点内部热应力。在转速6000r/min下,加热加压摩擦焊焊点平均拉脱载荷为71.61 N。SZ组织IMC颗粒细小,TMAZ中弥散再结晶晶粒,BM中IMC颗粒呈破碎网状环绕β-Sn基体。焊点内部SZ、TMAZ、BM平均压痕硬度分别为160.06 MPa、153.54MPa、197.33 MPa。6000 r/min条件下的摩擦焊焊点120℃时效4/9/16/25/36天后,界面层平均厚度分别为3.18μm、4.73μm、5.42μm、5.88μm、7.29μm;加压摩擦焊焊点时效4/9/16/25/36天后,界面层平均厚度分别为2.66μm、3.39μm、3.78μm、4.65μm、6.09μm,加压减少了界面附近缺陷,原子扩散通道减少,与未加压焊点相比界面层生长缓慢;加热加压摩擦焊焊点时效4/9/16/25/36天后,界面层平均厚度分别为2.14μm、2.73μm、3.66μm、3.95μm、5.11μm。不同焊接工艺下的焊点在时效后,界面层厚度与时效时间平方根成正比,界面层成分均为Cu6Sn5,各区组织中IMC颗粒均出现合并长大和粗化,拉脱载荷随时效时间增加呈现先增加后降低的趋势,SZ压痕硬度升高,TMAZ和BM硬度降低,TMAZ硬度最低,成为焊点内部力学性能最薄弱位置。
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