射频器件超细引线键合工艺及性能研究

作为有源相控阵雷达的关键组成部分,T/R （Transmitter and receiver）组件的尺寸与性能决定着装备的重量和功能。引线键合是T/R组件中常用的互连技术之一,随着组件集成度的提高势必也要开发相应的高密度引线键合技术,这使得键合线的尺寸越来越小,而超细的引线会使焊点力学性能降低,造成可靠性下降等问题。采用超声热压楔形键合的方法实现了的超细金丝与金焊盘的连接,并对工艺进行优化。结果表明,随键合压力、键合时间和超声功率的增大,键合后引线形变量逐渐增大,而键合后金丝的拉力先增加后减小,且工艺参数对金带形变量的影响小于金丝;由于第二焊点作用力过大会导致引线形变量较大、最大拉力小于第一焊点,需增加题焊点数量;最后,通过正交试验方法获得了金线和金带的最佳键合工艺参数,实现了超细尺寸引线的键合,对T/R组件的小型化具有重要意义。     

无铅微焊点界面断裂行为的尺寸效应

采用有限元模拟和试验方法研究不同尺寸的"铜引线/钎料/铜引线"对接结构微焊点在准静态微拉伸载荷下的断裂行为,以及电迁移与热时效作用对其断裂性能的影响.结果表明,随着微焊点高度的减小,焊点中界面裂纹扩展驱动力逐渐减小,抗断裂性能有所提高;界面裂纹尖端剪切型裂纹扩展驱动力KⅡ值明显高于张开型裂纹扩展驱动力KⅠ值;Sn-Ag-Cu无铅钎料微焊点中界面裂纹的应力强度因子KⅡ和KⅠ远低于Sn-Pb钎料微焊点,其抗断裂能力要明显优于后者.模拟结果还表明,电迁移极性效应导致的金属间化合物增厚对微焊点断裂性能影响不大,而焊点边缘微空洞的横向薄饼状扩展导致界面应力集中系数显著上升,最大Von Mises等效应力点位于金属间化合物/铜界面处;微焊点在热时效过程中两侧界面金属间化合物层厚度的增加使界面裂纹尖端的应力水平近似呈指数函数衰减.     

铝镁合金填充式搅拌摩擦点焊接头的显微组织及力学性能

对2.0mm厚的5A06铝合金板进行不同工艺参数的填充式搅拌摩擦点焊,并对点焊接头进行了显微组织观察及剪切拉伸、十字拉伸试验。结果表明:接头可以分为焊核区、热机影响区、热影响区、压力影响区和母材区等部分,其显微组织主要为α-Al固溶体,并有金属间化合物β-Mg2Al3相等在基体上分布;随着焊接时间延长和焊接旋转速度的增大,点焊接头的剪切拉伸性能和十字拉伸性能呈现先快速增加后缓慢下降的趋势;当焊接旋转速度为2 000r·min-1,焊接时间为3.5s时,点焊接头最大剪切拉伸载荷可达8 194N,最大十字拉伸载荷可达3 565N。     

工艺参数对6061-T6铝合金真空扩散焊接接头形貌和性能的影响

在不同工艺参数下对化学清洗去除表面氧化膜的6061-T6铝合金进行真空扩散焊接,研究了焊接温度(500~560℃)、焊接压力(1.0~5.0MPa)和保温时间(0.5~3h)对焊接接头界面形貌和剪切强度的影响,得到了优化工艺参数。结果表明:随着焊接温度的升高、焊接压力的增大和保温时间的延长,接头焊缝变窄并最终消失,剪切强度和焊合率增大;但当保温时间延长到3h时,焊缝附近晶粒发生粗化,导致剪切强度降低,且接头发生较大变形;不同工艺参数下接头的剪切断裂形式均为脆性断裂;较优的真空扩散焊接工艺参数为焊接温度540℃、保温时间2h、焊接压力4.0MPa。     

热声键合界面的微观结构特性

设计一系列的键合实验，通过扫描电镜SEM和EDS能谱测试分析热声键合界面的微观结构特性及变化规律，结果表明，热声键合界面的形状像一个中央未结合的椭圆环，键合强度取决于皱脊椭圆环结构；当作用力和功率保持不变，随着时间增加，键合区向中央延伸，当作用力和时间保持不变，随着功率的增加，焊接区里皱脊面扩大。EDS能谱测试Au—Al、Au—Ag界面的微观组织成分，证实了Au—Ag扩散偶的Kirkendall扩散效应及Au—Al键合界面可能形成金属间化合物。     

七彩LED金丝球焊机图像识别系统设计

在对七彩LED引线键合工艺及芯片图像特征分析的基础上,通过芯片、焊点示教方案以及目标搜索、对中方案的规划,设计了一个七彩LED芯片、焊点自动识别及自动对中系统.将图像识别系统应用于七彩LED金丝球焊机上,实现了多芯片、多引线电子元器件的自动焊线作业,提高了生产效率,降低了焊线成本.     

铝合金大功率超声波焊接界面及接头性能研究

尽管大功率超声波焊接更适合异种金属的焊接,在汽车轻量化上应用的研究较少.研究6061-T6铝合金与纯铜、6061-T6铝合金与DC04钢大功率超声波焊接的界面及接头性能,主要包括界面的温升、中间相的生成以及接头的力学性能、拉伸断口形貌.结果表明,在钢/铝超声波焊接中,在焊接时间1s、压力1.98 kN和振幅27 μm时,界面生成厚度为1.70 μm、主要成分为FeAl3和Fe2Al5且连续分布的中间相;近一半的超声功率转化为界面能量;焊接区域面积明显大于焊头端面;界面发生了较大的塑性变形,存在明显的机械互锁;接头的最高强度为3.95 kN,拉伸破坏行为为界面式破坏,且断裂模式为韧性-脆性复合断裂.在铜/铝焊接中,在焊接时间0.54 s、压力1.45 kN和振幅25 μm时,界面生成厚度为1.95μm、主要成分为Al2Cu的中间相,获得的接头最高强度为3.20kN,其拉伸破坏行为为拉拔式破坏.研究了中间相厚度与接头强度的关系,适当的IMC厚度能促进连接.     

电子封装跨尺度凸点结构Sn3.0Ag0.5Cu/Cu微互连焊点界面IMC生长与演化及力学行为的尺寸效应

针对目前无铅电子封装中主流应用的Sn3.0Ag0.5Cu钎料,研究了其直径为600～60μm的焊球在开孔型Cu基底(焊盘)上260℃恒温回流不同时间(10～300s)形成跨尺度凸点结构Sn3.0Ag0.5Cu/Cu微互连焊点时界面金属间化合物(IMC)的生长与演化行为,以及跨尺度微焊点的剪切性能与断裂行为。研究结果表明,焊球直径大于200μm时焊点界面IMC生长速率随其尺寸减小而增大,而焊球直径小于200μm时焊点界面IMC生长速率随焊球直径减小呈减小趋势。对微焊点界面显微组织演化的分析表明,界面IMC的粗化生长过程随回流时间延长依次经历了奥斯瓦尔德熟化生长及晶粒吸附与晶界迁移生长两个阶段,且其生长阶段的转变随焊点尺寸减小而更早发生。准静态剪切加载条件下的试验结果表明,微焊点强度随其尺寸减小而增加,而恒温回流时间增加时(10～300 s)同尺寸微焊点的剪切强度并未出现明显变化,但回流时间对大尺寸焊点剪切断裂位置有明显影响。     

电子封装跨尺度凸点结构Sn3.0Ag0.5Cu/Cu微互连焊点界面IMC生长与演化及力学行为的尺寸效应

针对目前无铅电子封装中主流应用的Sn3.0Ag0.5Cu钎料,研究了其直径为600～60μm的焊球在开孔型Cu基底(焊盘)上260℃恒温回流不同时间(10～300s)形成跨尺度凸点结构Sn3.0Ag0.5Cu/Cu微互连焊点时界面金属间化合物(IMC)的生长与演化行为,以及跨尺度微焊点的剪切性能与断裂行为。研究结果表明,焊球直径大于200μm时焊点界面IMC生长速率随其尺寸减小而增大,而焊球直径小于200μm时焊点界面IMC生长速率随焊球直径减小呈减小趋势。对微焊点界面显微组织演化的分析表明,界面IMC的粗化生长过程随回流时间延长依次经历了奥斯瓦尔德熟化生长及晶粒吸附与晶界迁移生长两个阶段,且其生长阶段的转变随焊点尺寸减小而更早发生。准静态剪切加载条件下的试验结果表明,微焊点强度随其尺寸减小而增加,而恒温回流时间增加时(10～300 s)同尺寸微焊点的剪切强度并未出现明显变化,但回流时间对大尺寸焊点剪切断裂位置有明显影响。     

超声功率对引线键合强度的影响

采集键合试验的PZT驱动功率及对应键合点的剪切测试力数据,作为超声功率和引线键合强度的表征.试验中的键合力、温度和时间分别设置为4.7 N、室温和100 ms.在这种典型的工业工艺键合参数下,通过改变超声功率比(设定超声功率与最大可调功率之比)来改变超声功率,研究了超声功率对引线键合强度的影响规律.试验中超声功率比在15%～100%之间做了20种设置,共进行了20组1 000次键合试验.结果表明:超声功率小于3.5 W时,键合强度受超声功率的影响规律明显,即当超声功率小于1.0 W时,增加超声功率将增加键合强度,并减少剪切测试力为0的情况;大于1.6 W后则反之;而在1.0～1.6 W之间则可获得稳定可靠的键合强度,也就是在上述试验条件下的键合窗口;超声功率超过3.5 W后,规律不明显.此外,超声功率除受超声功率比这一可控因素影响外,还受基板质量不均匀、劈刀与铝丝间约束不确定等随机因素影响,超声引线键合是一个敏感的过程.     

DP780双相钢电阻点焊接头动态载荷下失效行为研究

采用DP780 双相钢电阻点焊接头,针对不同拉伸速度下接头的失效行为进行了研究.利用数字图像相关(Digital image correlation,DIC)技术分析接头的全场应变,同时对不同失效模式下的接头微观断口形貌进行分析.结果表明,准静态与动态拉伸下接头的失效模式主要有界面断裂与熔核拔出两种.随着拉伸速度的增加,接头的失效位置由界面断裂向母材撕裂变化,同时接头失效的峰值载荷与吸能值逐渐增大.2 mm/min 测试速度下的峰值载荷为21.08 kN,相比2 mm/min,2 m/s、6 m/s、10 m/s 的峰值载荷分别提升了26.57％、46.92％、63.99％.四种测试速度下的失效吸能值分别为10.16 J、31.37 J、52.83 J和63.77 J.由于拉伸时搭接接头焊点会发生偏转,造成了焊点上方拉伸作用为主,下方压缩作用为主.焊点不同程度的偏转,将使接头发生不同的失效模式.随着拉伸速度的提升,接头断口韧窝的摩擦分层越发剧烈.     

铝合金焊点疲劳性能及其影响因素分析

研究了铝合金AA5754和AA6111-T4焊点的疲劳性能,获得了不同厚度及试件类型的焊点疲劳数据;研究了试件类型不同时焊点的疲劳失效模式,讨论了焊点疲劳裂纹的扩展形式;分析了铝合金焊点疲劳寿命的影响因素。结果表明:焊点疲劳失效模式主要有两种,分别是母材“眉状”裂纹断裂和焊点熔核界面断裂;母材对焊点疲劳寿命影响不大;循环载荷比对焊点寿命有一定的影响,增大载荷比导致焊点疲劳寿命略有下降;试件类型对焊点寿命有很大的影响,应在设计中避免焊点承受剥离载荷。     

不同工艺参数与超声振动作用下成形制件的盐雾老化性能

为了对注塑成形制件老化因素进行深入分析，设计制造了带有超声辅助振动系统的注塑模具来成形底部带有标准拉伸试样的矩形壳体制件。选用等规聚丙烯材料进行了不同工艺参数和超声振动作用下的成形试验，并对试验获得的制件进行了中性盐雾老化试验。同时借助X射线衍射、傅里叶变换红外光谱分析、扫描电子显微镜观测及拉伸试验等方法，研究了熔体温度、模具温度、保压压力及超声功率变化对制件内部凝聚态结构的形成与其抗老化性能的影响。研究结果表明，升高熔体温度会使制件的抗盐雾老化性能下降,而提高模具温度和保压压力则可使制件的抗盐雾老化性能提升；增大超声功率虽可使制件内部的结晶度增加，但超声功率超过200 W时，制件的拉伸强度却大幅下降,可见过高的超声功率并不利于制件内部形成具有最佳抗老化性能的凝聚态结构。     

无铅微互连焊点力学行为尺寸效应的试验及数值模拟

采用高精度微拉伸试验和有限元数值模拟方法研究不同微尺度的Sn-Ag-Cu无铅钎料模拟互连焊点力学行为和性能演变的尺寸效应。结果表明,当焊点高度恒定(225μm)而焊点直径逐渐减小(475～200μm)时,拉伸断裂强度显著提高且远高于体钎料的抗拉强度,断裂应变也逐渐增加;焊点的断裂位置及模式由较大直径时的界面低延性断裂转变为小直径时焊点中间部位的大变形颈缩断裂。模拟结果表明,由于焊点内力学拘束水平的不同,小直径焊点的界面应力较低且最大应力分布在焊点中间部分,易导致断裂发生在焊点中部,接头强度应较高;而大直径焊点中最大应力处于焊点界面,易导致界面金属间化合物层在较低外加应力下起裂,焊点断裂强度应较低。     

搅拌摩擦焊缝类型对接头拉伸性能及断裂特征的影响

采用三种不同针长的搅拌头对6082-T6铝合金板材进行焊接,获取三种类型的焊缝,即未透对接焊缝、已透对接焊缝和对-搭组合焊缝,通过对焊缝金相观察、拉伸测试和断口分析,得到焊缝类型对接头拉伸性能及断裂特征的影响规律。不同类型焊缝的表面成形区别不大,但内部成形各有特点。未透对接焊缝根部界面处形成未焊合缺陷;已透对接焊缝中无缺陷;对-搭组合焊缝后退侧和前进侧形成“钩状”缺陷。拉伸测试表明,未透对接接头拉伸性能最低,裂纹在未焊合处产生并沿焊核区扩展,接头下部呈现剪切断裂特征,接头上部呈现准解理和剪切混合断裂特征;已透对接接头拉伸性能最高,断裂位置位于前进侧热机影响区,断口呈现出典型的剪切断裂特征;对-搭组合接头拉伸性能居中,裂纹在前进侧“钩状”缺陷处产生并沿焊核区扩展,断口形貌与未透对接接头相似。     

保温时间对TLP扩散焊焊接TA2纯钛接头组织和性能的影响

以Cu-Ni-Sn-P非晶合金作为中间层材料,采用瞬时液相(TLP)扩散焊焊接了TA2工业纯钛,研究了保温时间对接头组织和性能的影响。结果表明:该接头结合处由残留中间层、等温凝固层和界面扩散层组成,随着保温时间的延长,残留中间层厚度减小,界面扩散层宽度增大,当保温5min后,接头处基本由羽毛状界面扩散区组成,宽度为25μm;接头剪切强度随保温时间的延长先增后降,保温时间为3min时达到最大,约180MPa,剪切断裂方式为脆性+塑性混合型断裂。     

电阻点焊工艺对GH163镍基高温合金接头性能的影响

通过电阻点焊对1.5mm厚GH163镍基高温合金进行焊接,研究了焊接电流、电极压力、焊接时间对接头显微组织、显微硬度和拉剪力的影响,得到了较佳的焊接参数。结果表明:接头熔核区均匀分布着细小的枝状柱状晶,其生长方向垂直于熔核弧线,与熔核的散热方向一致,晶粒随着电流的增大而变细;接头显微硬度随着距熔核中心距离的减小而增大,随着焊接电流的增大整体呈现增大趋势;接头的拉剪力随焊接电流的增大呈先增大后减小再增大的变化趋势,随着焊接时间的延长而逐渐增大,随着电极压力的增大而下降;当电极压力为11.0kN、焊接电流为7.1kA、焊接时间为0.50s时,接头的综合性能最佳,熔核直径达到7.14mm,室温和高温拉剪力分别为15.34,13.13kN,拉伸断裂方式为母材撕裂。     

超声诱导瞬间液相焊焊接以Ag-28Cu为中间层的过共晶Al-Si合金

在大气环境中,应用超声诱导瞬间液相焊的方法,焊接以Ag-28Cu为中间层的Al-50Si合金。研究了超声振动时间、焊接温度对接头微观结构演变和Si颗粒迁移的影响。分析了Si颗粒增强的完全固溶体接头的快速形成过程。阐述了剪切强度与超声振动时间和接头组织之间的关系。在520℃焊接温度下,超声振动仅3s,接头发生了界面冶金结合。超声振动15s时,获得了Si颗粒增强的完全固溶体接头。焊接温度对Ag、Cu和Al之间的相互扩散产生影响。随着温度的增加,原子扩散加快。由于超声在固-液体介质中的效应,使得基体金属与中间层表面的氧化膜得到快速破除,基体金属与中间层产生元素扩散。当扩散达到一定浓度时,基体金属与中间层发生冶金反应,形成Al-Ag-Cu三元共晶液相,并且Si颗粒迁移进三元共晶液相中。随着超声振动时间延长,在超声振动、压力作用下,三元共晶合金减少,直至完全消失,剩余的Al(Ag,Cu)固溶体保留在焊缝中,焊缝闭合,获得了Si颗粒增强的完全固溶体接头。Si颗粒的迁移和三元共晶合金的挤出影响接头的剪切强度。剪切强度随超声振动时间的延长而增加。超声振动15s的剪切试样,其断裂发生在基体金属侧,属于韧性断裂,接头剪切强度最高,达到约123MPa。     

热成形钢板与双相钢板焊点失效模式研究

针对热成形钢板与双相钢板的焊点失效模式,采用试验+模拟的方法进行研究。通过数值模拟得到了合适的焊接工艺窗口,在此基础上研究了焊接时间、熔核偏移等对焊点力学性能的影响。拉剪试验结果表明：随着焊接时间的延长,焊点失效模式由界面断裂向熔核拔出转变。研究失效模式发现,熔核偏移对熔核拔出失效部位影响极大,即薄板与厚板焊接时,熔核更容易从薄板拔出;板厚相同时,熔核更容易从热成形钢侧拔出。最后结合试验数据建立了焊点力学模型,得到热成形钢板和双相钢板焊点失效准则。     

微量钕对Sn-6.5Zn/铜焊点界面组织与性能的影响

采用SEM、EDS和拉伸-剪切试验等方法研究了微量稀土元素钕对Sn-6.5Zn-xNd(x=0,0.1,0.5)钎料/铜焊点界面组织,重点是界面金属间化合物(IMC)特征及结合性能的影响。结果表明:在Sn-6.5Zn合金中添加微量钕具有明显的变质作用,能够促进界面形成均匀细密的Cu5Zn8IMC层;钕添加量的增加对界面IMC尺寸与分布没有产生明显影响;钕添加量为0.1%(质量分数,下同)时能显著改善钎料/铜焊点结合性能,而当添加量为0.5%时,界面处稀土化合物的聚集会导致焊点结合性能下降。