【摘 要】
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基于AlNi薄箔自蔓延反应的热源（self-propagating heat source,SPHS）具有温度高、升降温速率高和热量集中的特点。通过该热源能在毫秒级时间内完成焊料的熔化和凝固结晶,实现互连;减小封装结构整体加热时热失配、热敏感材料/元件的损伤问题,因而受到业内重视。由于焊料互连热过程为高度非稳态,通常所采用的平衡相图无法用于解释这种高度非平衡条件下的组织形成过程,互连接头性能也随着
【基金项目】
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国家自然科学基金（NSFC No.61574068,NSFC No.61261160498）; 中国科学技术协会（No.2018CASTQNJL55）
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基于AlNi薄箔自蔓延反应的热源（self-propagating heat source,SPHS）具有温度高、升降温速率高和热量集中的特点。通过该热源能在毫秒级时间内完成焊料的熔化和凝固结晶,实现互连;减小封装结构整体加热时热失配、热敏感材料/元件的损伤问题,因而受到业内重视。由于焊料互连热过程为高度非稳态,通常所采用的平衡相图无法用于解释这种高度非平衡条件下的组织形成过程,互连接头性能也随着显微组织改变发生变化。本文针对基于AlNi薄箔自蔓延反应的焊料非稳态热过程及非平衡组织进行研究,阐明显微组织的形成机理;课题研究对非平衡凝固组织的形成机理和提高互连接头可靠性具有重要的理论意义和工程应用价值。论文主要工作如下:（1）建立了SPHS的热源模型,采用有限元模拟的方法对焊料/AlNi薄箔/焊料结构、基板/焊料/AlNi薄箔/焊料/基板互连结构的热循环进行了研究,得到了SPHS作用下焊料的熔化厚度、熔化时间和焊料层内的温度梯度分布等关键热循环相关结果和数据,为封装结构的优化设计提供了依据。研究结果表明,在室温环境下40μm厚的AlNi薄箔作用下焊料达到最大升降/温速率处位于AlNi薄箔/焊料界面。最大升（10~8℃/s）/降（10~7℃/s）温速率、各焊料最大熔化厚度、焊料熔化时间均随着结构与材料的改变而改变。互连结构的芯片表面最高温度低于200℃,并且在1 s内降温至120℃以下,能有效避免芯片的热损伤。（2）采用显微分析技术,结合有限元模拟研究所得的热循环数据,研究了SPHS作用下焊料的非平衡组织形成机理。经过SPHS作用后焊料晶粒大小由数十微米降低为数微米。Sn、SAC、Au Sn焊料熔化区内出现定向生长组织结构。Sn Bi、Sn Pb焊料初始组织的均匀性对其凝固组织有显著影响。焊料/AlNi界面IMC厚度小于1μm。结合焊料的热循环过程,阐明了AlNi薄箔自蔓延反应热源作用下Sn、SAC、Au Sn焊料内定向生长组织和Sn Bi、Sn Pb粗大残留相的形成机理。建立了AlNi薄箔自蔓延反应热源作用下Au Sn焊料中定向生长的共晶片层间距的数学模型。通过工艺优化,得到了组织细密均匀的互连接头。（3）对焊后不稳定的非平衡凝固组织进行自然时效和高温老化处理,研究了组织的演变规律。经自然时效和高温老化处理后,焊料成份向平衡方向转变。晶粒生长符合抛物线规律。SPHS作用后的焊料组织在高温老化0～6 h时显著长大,6～12 h晶粒长大速率明显减慢。除Sn Bi焊料外,Sn基焊料的老化前熔化区组织平均硬度大于未熔化区。老化后,熔化区组织的平均硬度继续升高。Sn Bi焊料老化前熔化区组织硬度小于未熔化区。在老化后,熔化区组织的平均硬度升高。（4）对SPHS作用下的ZnO、Ni、Ni@CNTs等增强相在SAC305复合焊料的存留率进行了研究,研究发现采用SPHS能有效保留复合焊料添加相。随着增强相含量的升高,焊料晶粒有一定细化。对复合焊料的形貌、尺寸、成分分布以及力学性能进行了表征,结合焊料热循环过程对增强相的运动过程进行了分析,阐明了SPHS作用下复合焊料的高冷却速率和短熔化时间特性对焊料中增强相的保留和抑制复合焊料中IMCs的长大的机理。
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