文章推薦 | 基于非牛頓流體的AuSn20密封空洞分析

轉(zhuǎn)自：《電子與封裝》

作者：趙鶴然^1,3，李俐瑩²，陳明祥³

單位：1. 中國電子科技集團公司第四十七研究所；2. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院；3. 華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院

摘要：金錫熔封是一種典型的氣密密封方式，廣泛應(yīng)用于高可靠集成電路工藝中。根據(jù)SJ 21455-2018《集成電路陶瓷封裝合金燒結(jié)密封工藝技術(shù)要求》中的兩種夾持方式，通過結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真計算得到了熔封過程中外殼、蓋板的應(yīng)力應(yīng)變情況。基于非牛頓流體流變特性和賓漢本構(gòu)方程，采用流固耦合有限元仿真，得到兩種夾持方式下熔融焊料的流動速度和流向流淌趨勢，闡述了四角空洞的一種形成機理。

關(guān)鍵詞：金錫焊料；密封；非牛頓流體；流固耦合；空洞

DOI: 10.16257/j.cnki.1681-1070.2021.1210

1 引  言

非牛頓流體是剪應(yīng)力與剪切變形速率之間不滿足線性關(guān)系的流體。自然界和工業(yè)界中存在著大量非牛頓流體，如瀝青、水泥漿、污泥、奶油、蜂蜜、蛋白、大多數(shù)油類和潤滑脂、高聚物熔體和溶液以及人體中的血液等。在冶金熔煉過程中，金屬熔體是氣體、液體、固體三相流的非牛頓流體，具有非牛頓流體以其自身復(fù)雜的流變性。

研究發(fā)現(xiàn)，金錫合金焊料加載條件下的變形量會受到壓力和溫度的影響。第一個階段是彈性形變加塑性形變，接著是蠕變，然后是前兩種的結(jié)合，最后是統(tǒng)一粘塑性。熔融金錫焊料由Au、Sn、Ni等元素、難溶金屬氧化物以及氣泡等多相流體組成，對其流淌特性開展有限元仿真分析時，需要充分考慮其粘度的非恒定特性。因此，構(gòu)建非牛頓流體模型對分析金錫焊料密封行為是必要的。

AuSn焊料對外殼密封焊接面的鋪展和潤濕是一個復(fù)雜的過程，腔體內(nèi)外氣壓、夾具壓力共同作用，求解熔融焊料的流淌趨勢，基于非牛頓流體流變特性和賓漢本構(gòu)方程，采用流固耦合有限元仿真分析方法分析金錫焊料環(huán)加熱熔化后的流速和方向，并試著解釋兩種夾持方式外殼四角空洞的形成機理。

2 金錫焊料的非牛頓模型

2.1  有限元模型

圖1為金錫熔封的封裝模型示意圖。其中，陶瓷基材是Al₂O₃陶瓷；金屬蓋板基材是Fe-Co-Ni可伐合金；金錫焊料環(huán)為AuSn20合金。外殼為CQPF240，密封區(qū)為方環(huán)形，內(nèi)側(cè)邊長20.60 mm±0.25 mm，外側(cè)邊長24.40 mm±0.25 mm，轉(zhuǎn)角處倒角半徑0.42 mm。

通過密封夾具對金屬蓋板施加密封壓力，夾具類型選用塊體和夾子兩種。蓋板在夾具夾持作用下發(fā)生輕微形變，并將密封壓力傳遞到金錫焊料環(huán)上。金錫焊料環(huán)與蓋板的接觸面被定義為壓力入口；金錫焊料環(huán)與外殼腔體內(nèi)部氣氛的接觸面被定義為內(nèi)部面，在密封過程中，腔內(nèi)氣氛的壓強隨燒結(jié)溫度的變化而改變，熔融的焊料流體與腔內(nèi)氣氛的壓強為競爭關(guān)系，占優(yōu)方?jīng)Q定焊料向內(nèi)流淌的方向和流速。金錫焊料環(huán)與腔外氣氛的接觸面被定義為壓力出口，由于燒結(jié)爐的氮氣循環(huán)，認為外部氣氛的壓強是恒定不變的。

2.2  流固耦合

由于壓力的傳導(dǎo)跨越了固體和流體兩種介質(zhì)，為了更精確地開展模擬，采用流固耦合的分析方法。

第一步，對蓋板、外殼、焊料環(huán)進行建模，選擇全六面體剖分，節(jié)點數(shù)18729，單元數(shù)15616，采用Static Structural模塊，將溫度載荷和夾具壓力載荷作為邊界條件，求解壓力入口界面上各網(wǎng)格節(jié)點的壓強分布。

第二步，建立流體區(qū)域模型，如圖2所示。其中，腔體氣體1為內(nèi)部氣氛不與焊料接觸的部分；腔體氣體2為內(nèi)部氣氛與焊料接觸的部分；焊料區(qū)域為熔融焊料區(qū)域。采用Fluent模塊，將穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)分析得到的壓強分布結(jié)果導(dǎo)入流體模型的壓力入口網(wǎng)格節(jié)點上。根據(jù)焊料非牛頓力學(xué)特性，選擇H-B模型，求解熔融焊料的流動特性。由于求解區(qū)域涉及熔融的焊料流體與腔內(nèi)氣氛的壓強競爭，選用兩相流VOF模型求解問題。

2.3  賓漢（Bingham）方程

2.４  材料屬性

焊料熔融、凝固過程中會和腔內(nèi)氣體作用，在夾具壓力作用下浸潤、鋪平。如果確定了焊料的材料屬性、流變特性、本構(gòu)方程，即可仿真得到焊料在不同加載條件下的運動特征及趨勢。仿真所采用的AuSn20焊料材料屬性如表1、2所示。

3 焊料流動特性仿真結(jié)果

3.1  壓力施加方法

SJ 21455-2018《集成電路陶瓷封裝合金燒結(jié)密封工藝技術(shù)要求》中提出，合金燒結(jié)密封時需用夾具對蓋板與外殼施加相應(yīng)的壓力，一般情況下會采用壓塊或夾子作為夾具^[8-10]，如圖3、4所示。

相比之下，壓塊和夾子提供壓力的方式有所不同。壓塊夾具與蓋板的接觸是面接觸，選用壓塊作為夾具施加壓力，可以獲得更加均勻的壓力分布，以期待焊料在壓力作用下均勻向四周流淌，鋪滿整個密封區(qū)；夾子夾具與蓋板的接觸可以看做是線接觸，壓力通過夾口所在的直線區(qū)域作用于蓋板上，通常再增加一個小墊片，將其轉(zhuǎn)化為面接觸。這時，如果所需施加的密封壓力很大，或者蓋板尺寸過大（同等厚度下蓋板越大越容易發(fā)生形變），則夾子夾具容易造成蓋板中心懸空區(qū)域的凹陷形變，而蓋板四角微翹，這會導(dǎo)致焊料壓力入口的壓強分布不均，使其流淌效果與期望不相符。

3.２  壓塊流場仿真結(jié)果

首先對壓塊夾具施加壓力的情況開展仿真分析，設(shè)置壓塊提供的壓力為5 N。圖5給出了蓋板與焊料接觸面，即壓力入口的壓力分布情況。從圖5中可以看出，由于壓塊與蓋板的面接觸，焊料壓力入口界面上的節(jié)點獲得了均勻的壓力分布。

將壓力分布作為載荷帶入流體力學(xué)分析中，求解熔融焊料在壓力載荷下的響應(yīng)。圖6給出了焊料速度分布圖，從圖6中可以看出，焊料的環(huán)型區(qū)域內(nèi)流速較為均勻，但在焊料環(huán)的四角處，流速最大值達到1.42×10^-5m/s，這一數(shù)值達到了焊料環(huán)形區(qū)域流速的2～3倍。

進一步，我們從速度矢量的角度去分析焊料在均勻壓力下的流淌情況。圖7為速度矢量圖，從圖7中可以看出，焊料環(huán)形區(qū)域（例如四邊的中心區(qū)域），熔融焊料的主要流向是朝向腔體外部的，數(shù)值為4.27×10^-6m/s，這有利于熔融焊料向外鋪展，也能觀察到朝向腔體內(nèi)部的速度矢量，其數(shù)值為1.42×10^-6m/s，這有利于熔融焊料向內(nèi)鋪展；而在四角區(qū)域，熔融焊料的速度矢量是近似于垂直外殼向下的，朝向腔體外部的分量很小，這說明焊料的四角區(qū)域是不易在密封區(qū)形成鋪展的。

雖然壓塊提供了均勻分布的壓力，壓力也轉(zhuǎn)化成了均勻分布的速度，使得焊料能夠向內(nèi)和向外形成鋪展和潤濕，鋪滿整個密封區(qū)域，但是基于非牛頓流體的流固耦合仿真結(jié)果可以看出，熔融焊料鋪展能力的薄弱區(qū)域出現(xiàn)在了焊料環(huán)的四角處，該區(qū)域向外鋪展的速度矢量很小，這是該區(qū)域常見密封空洞的主要原因之一。

3.3  夾子流場仿真結(jié)果

對夾子夾具施加壓力的情況開展仿真分析，也將壓力設(shè)置為5 N。圖8為結(jié)構(gòu)力學(xué)的仿真結(jié)果。從圖8中可以看出，蓋板最大形變值1.5761×10^-7m，最小形變1.3248×10^-10m，相差3個數(shù)量級，如圖8（a）所示，這是由于夾具完全作用在空腔上，蓋板發(fā)生了微形變，并以梯度的形式從中心向四周傳遞；此時，蓋板上的最大應(yīng)力2.2262×10⁶Pa，最小應(yīng)力127.77Pa，如圖8（b）所示；蓋板的形變翹曲引起了蓋板與焊料環(huán)接觸面之間壓力的非均勻傳遞，如圖8（c）所示，作用在焊料環(huán)上的最大應(yīng)力為1.7450×10⁶Pa，位于焊料環(huán)內(nèi)邊界上，這將引起焊料受到向腔體外側(cè)流動的強作用力，而最小應(yīng)力為1516.9Pa，分布在焊料環(huán)的四角區(qū)域。這表明，夾子提供的密封壓力向焊料環(huán)四邊傳遞充分；但在焊料環(huán)四角區(qū)域，熔融焊料難以受到密封壓力的作用。從以往的試驗可知，金錫焊料與外殼、蓋板鍍金層的潤濕角較大，屬于只潤濕不鋪展類型，因此，在沒有外界密封壓力的驅(qū)動下，難以有效浸潤，容易形成密封空洞。

為了更清晰地解釋非均勻壓力作用下熔融焊料的流動，我們進一步通過流固耦合，從速度矢量角度去分析焊料的流淌情況，如圖9所示。從圖9中可以看出，熔融焊料在非均勻壓力作用下，在焊料環(huán)四邊、四角和邊角交接區(qū)域表現(xiàn)出不同的流淌特性。

從邊角結(jié)合區(qū)域來看，仿真速度矢量的最大值出現(xiàn)在這個區(qū)域。熔融焊料在這個區(qū)域獲得了較大的流速，流向從四邊指向四角并伴隨著向腔體外側(cè)的分量。這種情況將導(dǎo)致焊料從四邊向四角流動。這與壓塊夾具提供均勻壓力情況下產(chǎn)生的流淌不同。在均勻壓力作用下，熔融焊料表現(xiàn)出垂直向腔體內(nèi)、外的流淌。而在非均勻壓力下，熔融焊料具有了沿著焊料環(huán)內(nèi)部流淌的趨勢，焊料從四邊區(qū)域被擠壓到四角區(qū)域。在這種情況下，四邊焊料減少，密封后該區(qū)域焊料厚度變薄，密封可靠性下降。另一方面，四角區(qū)域獲得了部分來自于四邊區(qū)域的熔融焊料，這種流淌難以控制，并不在設(shè)計預(yù)期之內(nèi)。

從四邊來看，熔融焊料受到蓋板傳遞的壓力，獲得了垂直于焊料環(huán)向下的速度矢量，其數(shù)值為8.284×10^-8m/s，這個數(shù)值極小，說明焊料在此區(qū)域的流動內(nèi)驅(qū)動力不足，這不利于焊料向密封區(qū)內(nèi)、外兩個方向潤濕和鋪展。這主要是因為，由于壓力的不均勻分布，四邊焊料被擠流向四角，使得四邊區(qū)域焊料量減少，焊料變薄，此區(qū)域焊料不充分，無法按照設(shè)計預(yù)期向腔體內(nèi)和腔體外有效鋪展。

從四角區(qū)域來看，雖然獲得了部分熔融焊料，但是其流淌驅(qū)動力僅來源于四邊焊料向四角焊料流動的流體內(nèi)部壓強；而密封夾具提供的壓力在四角區(qū)域沒有產(chǎn)生預(yù)期作用。由于金錫焊料的粘塑性，非牛頓流體在四角區(qū)表現(xiàn)出較差的鋪展能力，焊料環(huán)熔化后不能按照預(yù)期向腔內(nèi)和腔外鋪展到整個密封區(qū)域，這也將導(dǎo)致密封后密封區(qū)的四角區(qū)域出現(xiàn)空洞。

4 分析與討論

基于非牛頓流體力學(xué)，對比不同夾具夾持狀態(tài)下AuSn密封焊料熔化后的流淌趨勢，闡述典型密封壓力條件下密封過程四角空洞的形成機理。

4.1  壓塊夾具

壓塊夾具通過對蓋板均勻施加壓力，避免蓋板形變，從而使得蓋板對焊料環(huán)傳遞了均勻的壓力，使得熔融焊料可以較好地同時向腔體內(nèi)和腔體外兩個方向鋪展。但是，由基于非牛頓流體的流固耦合仿真結(jié)果可以看出，焊料在四角區(qū)域鋪展能力較弱，這是該區(qū)域常見密封空洞的重要原因。

4.2  夾子夾具

夾子夾具對蓋板施加壓力時，由于夾具完全作用在空腔上，蓋板發(fā)生了微形變。蓋板的形變翹曲引起了蓋板與焊料環(huán)接觸面之間壓力的非均勻傳遞。在焊料環(huán)四個邊上，焊料受到向腔體外側(cè)流動的強作用力，而焊料環(huán)的四角區(qū)域難以受到密封壓力的作用，這使得焊料在四角區(qū)域往往難以有效浸潤，這是該區(qū)域容易形成密封空洞的原因之一。

綜上可以看出，四角空洞是由密封夾具、密封壓力所產(chǎn)生的一種最基本的密封空洞。在所封電路尺寸較大，或所需密封壓力較大，或所封電路的蓋板較薄，或密封區(qū)較寬時，焊料環(huán)四角區(qū)域流淌性低于四邊區(qū)域，造成焊料整體鋪展不均勻的現(xiàn)象更加顯著，密封空洞多發(fā)，如圖10所示。通常的工藝試驗會增加密封壓力來提高焊料鋪展性，以期待通過擠壓促進焊料填縫，彌補空洞。但是在上述提到的情況下，不但不能通過增加壓力來提高四角區(qū)域的焊料鋪展能力，還會導(dǎo)致原本已經(jīng)良好鋪展的區(qū)域發(fā)生焊料溢出，引發(fā)PIND和爬蓋問題。因此，在有必要時，應(yīng)根據(jù)需要對典型的壓力施加方式進行改進。在分析密封空洞時，不僅僅著眼于密封壓力的均勻施加，更應(yīng)該深入考慮的是焊料最終的流速和流動方向，這是一個密封區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計與密封工藝參數(shù)優(yōu)化相結(jié)合的復(fù)雜問題。

5 結(jié) 論

基于非牛頓流體力學(xué)，對比了壓塊和夾子兩種不同夾具夾持狀態(tài)下AuSn20密封焊料熔化后的流淌趨勢，發(fā)現(xiàn)壓塊可以使焊料環(huán)獲得均勻壓力，而夾子產(chǎn)生非均勻壓力，四角處焊料壓力較小，熔化后流速較小，潤濕能力相對較差，說明其是密封四角空洞的形成機理之一。 

參考文獻：（略）

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