基于非牛頓流體的AuSn20 密封空洞分析*

趙鶴然，李俐瑩，陳明祥

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng) 110032；2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110866；3.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074)

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[1-3]。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(rùn)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(guò)程中，金屬熔體是氣體、液體、固體三相流的非牛頓流體，具有非牛頓流體以及自身復(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(huì)受到壓力和溫度的影響[4-5]。第一個(gè)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[6-7]。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(duì)其流淌特性開(kāi)展有限元仿真分析時(shí)，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(duì)分析金錫焊料密封行為是必要的。

AuSn 焊料對(duì)外殼密封焊接面的鋪展和潤(rùn)濕是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，由腔體內(nèi)外氣壓、夾具壓力共同作用，求解熔融焊料的流淌趨勢(shì)。本文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(jī)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(zhǎng)為（20.60±0.25）mm，外側(cè)邊長(zhǎng)為（24.40±0.25）mm，轉(zhuǎn)角處倒角半徑為0.42 mm。

圖1 金錫熔封模型

通過(guò)密封夾具對(duì)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(guò)程中，腔內(nèi)氣氛的壓強(qiáng)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(qiáng)為競(jìng)爭(zhēng)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?dú)庋h(huán)，認(rèn)為外部氣氛的壓強(qiáng)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(kāi)展模擬，采用流固耦合的分析方法。

第一步，對(duì)蓋板、外殼、焊料環(huán)進(jìn)行建模，選擇全六面體剖分，節(jié)點(diǎn)數(shù)為18729，單元數(shù)為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(diǎn)的壓強(qiáng)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?yàn)槿廴诤噶蠀^(qū)域。采用Fluent 模塊，將穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)分析得到的壓強(qiáng)分布結(jié)果導(dǎo)入流體模型的壓力入口網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)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(dòng)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(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)，選用兩相流VOF 模型求解。

圖2 流體區(qū)域模型

2.3 賓漢（Bingham）方程

賓漢流體的表觀粘度η 是隨流速梯度du/dr 變化的。根據(jù)塑性流體的流變曲線，可寫出式（1）：

式中：τ0為極限動(dòng)切應(yīng)力；ηp為結(jié)構(gòu)粘度（或稱塑性粘度）；u 為流速；r 為流速梯度區(qū)任意一段液柱半徑。

賓漢流體的表觀粘度η 為：

2.4 材料屬性

焊料熔融、凝固過(guò)程中會(huì)和腔內(nèi)氣體作用，在夾具壓力作用下浸潤(rùn)、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(yùn)動(dòng)特征及趨勢(shì)。仿真所采用的AuSn20 焊料材料屬性如表1、2 所示。

表1 AuSn20 焊料參數(shù)[6]

表2 AuSn20 比熱容隨溫度變化情況

3 焊料流動(dòng)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(shí)需用夾具對(duì)蓋板與外殼施加相應(yīng)的壓力，一般情況下會(huì)采用壓塊或夾子作為夾具[8-10]，壓塊裝配與夾子裝配分別如圖3、4 所示。

圖3 壓塊裝配

圖4 夾子裝配

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(gè)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(guò)夾口所在的直線區(qū)域作用于蓋板上，通常再增加一個(gè)小墊片，將其轉(zhuǎn)化為面接觸。這時(shí)，如果所需施加的密封壓力很大，或者蓋板尺寸過(guò)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(huì)導(dǎo)致焊料壓力入口的壓強(qiáng)分布不均，使其流淌效果與期望不相符。

3.2 壓塊流場(chǎng)仿真結(jié)果

首先對(duì)壓塊夾具施加壓力的情況開(kāi)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(diǎn)獲得了均勻的壓力分布。

圖5 壓力入口壓力分布（單位：Pa）

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 為焊料速度分布圖，從圖6 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(dá)到1.42×10-5m/s，這一數(shù)值達(dá)到了焊料環(huán)形區(qū)域流速的2～3 倍。

圖6 焊料速度分布（單位：m/s）

進(jìn)一步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 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1.42×10-5m/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(shuō)明焊料的四角區(qū)域是不易在密封區(qū)形成鋪展的。

圖7 速度矢量圖

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(rùn)濕，鋪滿整個(gè)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(jiàn)密封空洞的主要原因之一。

3.3 夾子流場(chǎng)仿真結(jié)果

對(duì)夾子夾具施加壓力的情況開(kāi)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可以看出，蓋板最大形變?yōu)?.5761×10-7m，最小形變?yōu)?.3248×10-10m，相差3 個(gè)數(shù)量級(jí)，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(shí)，蓋板上的最大應(yīng)力為2.2262×106Pa，最小應(yīng)力為127.77 Pa，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(dòng)的強(qiáng)作用力，而最小應(yīng)力為1516.9 Pa，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(yàn)可知，金錫焊料與外殼、蓋板鍍金層的潤(rùn)濕角較大，屬于只潤(rùn)濕不鋪展類型，因此，在沒(méi)有外界密封壓力的驅(qū)動(dòng)下，難以有效浸潤(rùn)，容易形成密封空洞。

圖8 結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真結(jié)果

為了更清晰地解釋非均勻壓力作用下熔融焊料的流動(dòng)，進(jìn)一步通過(guò)流固耦合，從速度矢量角度去分析焊料的流淌情況，速度矢量如圖9 所示。從圖9 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。

圖9 速度矢量圖（單位：m/s）

從邊角結(jié)合區(qū)域來(lái)看，仿真速度矢量的最大值出現(xiàn)在這個(gè)區(qū)域。熔融焊料在這個(gè)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(dòng)。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(shì)，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(lái)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(jì)預(yù)期之內(nèi)。

從四邊來(lái)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(gè)數(shù)值極小，說(shuō)明焊料在此區(qū)域的流動(dòng)內(nèi)驅(qū)動(dòng)力不足，這不利于焊料向密封區(qū)內(nèi)、外兩個(gè)方向潤(rùn)濕和鋪展。這主要是因?yàn)?，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(wú)法按照設(shè)計(jì)預(yù)期向腔體內(nèi)和腔體外有效鋪展。

從四角區(qū)域來(lái)看，雖然獲得了部分熔融焊料，但是其流淌驅(qū)動(dòng)力僅來(lái)源于四邊焊料向四角焊料流動(dòng)的流體內(nèi)部壓強(qiáng)；而密封夾具提供的壓力在四角區(qū)域沒(méi)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(gè)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(duì)比不同夾具夾持狀態(tài)下AuSn 密封焊料熔化后的流淌趨勢(shì)，闡述典型密封壓力條件下密封過(guò)程四角空洞的形成機(jī)理。

4.1 壓塊夾具

壓塊夾具通過(guò)對(duì)蓋板均勻施加壓力，避免蓋板形變，從而使得蓋板對(duì)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(shí)向腔體內(nèi)和腔體外兩個(gè)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(jiàn)密封空洞的重要原因。

4.2 夾子夾具

夾子夾具對(duì)蓋板施加壓力時(shí)，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(gè)邊上，焊料受到向腔體外側(cè)流動(dòng)的強(qiáng)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(rùn)，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，所需密封壓力較大，所封電路的蓋板較薄，或密封區(qū)較寬時(shí)，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)，密封電路X 射線如圖10 所示。通常的工藝試驗(yàn)會(huì)增加密封壓力來(lái)提高焊料鋪展性，以期待通過(guò)擠壓促進(jìn)焊料填縫，彌補(bǔ)空洞。但是在上述提到的情況下，不但不能通過(guò)增加壓力來(lái)提高四角區(qū)域的焊料鋪展能力，還會(huì)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(wèn)題。因此，在有必要時(shí)，應(yīng)根據(jù)需要對(duì)典型的壓力施加方式進(jìn)行改進(jìn)。在分析密封空洞時(shí)，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(dòng)方向，這是一個(gè)密封區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與密封工藝參數(shù)優(yōu)化相結(jié)合的復(fù)雜問(wèn)題。

圖10 大尺寸陶瓷密封電路X 射線

5 結(jié)論

基于非牛頓流體力學(xué)，對(duì)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(shì)，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(rùn)濕能力相對(duì)較差，說(shuō)明其是密封四角空洞的形成機(jī)理之一。