QFP器件激光喷球微连接工艺技术研究

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随着现代电子信息产业的发展,现代电子装联已朝着高密度、细间距和高可靠性的方向迅速发展,细间距四方扁平封装(QFP)器件在热风再流焊等传统焊接工艺过程中也遇到了新的挑战。激光喷球微连接局部与最小化热能输入和快速焊接的焊接工艺特点,可以解决QFP器件在再流焊中引起的焊点桥连、短路等问题,同时还可以避免传统再流焊器件整体加热焊接过程中产生塑封体热变形和因受潮引起的爆米花现象等热问题。因此,激光喷球微连接技术在细间距QFP器件板级组装上受到越来越广泛的重视。但激光喷球微连接技术在实际QFP器件焊接中仍有许多难题,如对焊接过程中的传热难以精确控制、对于获取高质量QFP器件焊点的工艺参数难以调整等,从而导致焊点出现质量问题,针对实际QFP器件焊接开展对激光喷球微连接技术的工艺开发是非常有必要的。基于此,本文针对QFP器件焊接对激光喷球微连接工艺技术进行研究,具体研究内容及结论如下:(1)QFP器件焊点在不同激光喷球微连接工艺参数下的力学性能研究使用激光喷球微连接技术对QFP器件进行了焊接试验,并调试激光工艺参数建立了QFP器件激光喷球微连接工艺窗口,根据工艺窗口设计相应焊接实验与焊点拉伸测试实验,探究了激光功率、加热时间和氮气压力对焊点力学性能的影响规律。结果表明,激光功率和加热时间对焊点力学性能影响较大,氮气压力对焊点力学性能影响较小。随着激光功率、加热时间和氮气压力的增加,焊点最大拉伸力先增大后减小。(2)QFP器件激光喷球微连接焊点界面显微组织与焊点断口分析通过扫描电子显微镜对QFP器件引脚焊点界面微观组织和焊点拉伸断口进行了观察和EDS能谱分析,探究了激光喷球微连接工艺参数对焊点界面显微组织的影响;分析了拉伸断口宏观力学特征,确认了激光喷球微连接下QFP器件焊点断裂模式。结果表明:1)焊点上侧界面的金属间化合物成分为(Cu,Ni)6Sn5,焊点下侧界面的金属间化合物成分为Cu6Sn5。在较大激光功率和加热时间下,焊点钎料和焊盘界面金属间化合物层较厚并呈现枝晶状形态。随着激光功率、加热时间和氮气压力的增加,焊点钎料和焊盘界面金属间化合物层厚度增大。2)不同激光工艺参数下,焊点的断裂模式不同,主要体现为:在较短加热时间条件下,出现韧性断裂,断裂表面呈现韧窝形貌;在较长加热时间条件下,出现脆性断裂,断裂表面呈现平整的穿晶断裂形貌。(3)QFP器件激光喷球微连接温度场有限元仿真分析基于ANSYS软件建立了QFP器件激光喷球微连接温度场仿真模型并通过红外测温实验对温度场仿真模型进行了验证。结合实验的工艺参数计算并获得了不同工艺参数下焊缝的温度场。结果表明,激光功率与焊缝温度几乎为线性关系,激光功率每增加5%,焊缝温度相应增加约6℃。加热时间与焊缝温度呈正比关系,且切线斜率逐渐增大。(4)QFP器件激光喷球微连接工艺参数优化建立了焊点最大拉伸力和激光工艺参数之间映射关系的响应面模型,分析了激光工艺参数对焊点最大拉伸力影响的显著程度。并基于响应面模型,通过遗传算法对激光工艺参数进行了优化,获得了最佳力学性能下的激光工艺参数组合。结果表明,各激光工艺参数对QFP器件焊点最大拉伸力影响的大小顺序为激光功率>加热时间>氮气压力;优化后得到的最佳激光工艺参数组合为:激光功率81%,加热时间87ms,氮气压力860Pa,在该工艺参数下得到的焊点最大拉伸力值为2218gf。本文通过上述QFP器件激光喷球微连接工艺技术的研究,获得了QFP器件焊点质量与激光喷球微连接主要工艺参数(激光功率、加热时间和氮气压力)的关系,以QFP器件焊点力学性能为优化结果对激光喷球微连接工艺参数进行了优化,对激光喷球微连接技术在实际电子器件焊接应用中的工艺开发和器件焊点微连接的优化控制研究具有一定的工程意义。
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