电子封装用铜及银键合丝研究进展

随着电子封装高密度化、高速度化和小型化发展,金键合丝由于成本和性能等问题已不能满足要求。成本更加低廉的铜及银键合丝逐渐成为金丝替代品,但铜键合丝存在硬度高、易氧化、工艺复杂等问题,银键合丝存在抗拉强度低、Ag~+迁移和高温抗氧化抗性差等缺点。针对上述问题,广大学者进行了分析和研究,根据相关的文献、专利和产品,综述了铜及银键合丝的性能特点、成分设计、制备工艺、可靠性研究和性能改善方法,并对其发展前景进行了展望。     

合金化及热处理对Al-32％Zn合金组织和阻尼性能的影响

利用SEM、XRD和多功能内耗仪等仪器研究了合金化及热处理工艺对Al-32%Zn合金显微组织和阻尼性能的影响规律。研究结果表明:随着0.62%(Zr,Cr,Ti)的添加,Al-32%Zn合金铸态组织由粗大树枝晶转变为细小、均匀的等轴晶,晶粒尺寸由550μm减小到75μm,进一步添加0.1%Ce或0.2%Er,其晶粒尺寸减小到45μm或35μm,并且在晶内或晶界处有方块状的Al_3(Ti,Zr)、Al_3(Er,Ti,Zr)相存在,其合金阻尼性能得到显著提高:在振幅A=800×10~(-6)附近,添加0.62%(Zr,Cr,Ti)的Al-32%Zn合金Q~(-1)值从1.1×10~(-2)增加至2.7×10~(-2),进一步添加0.1%Ce或0.2%Er,合金的Q~(-1)值从2.7×10~(-2)分别提高到4.3×10~(-2)和6.2×10~(-2)。上述铸态铝锌合金经固溶时效后,在振幅A=800×10~(-6)附近,其阻尼性能分别提高了254.5%、51.9%、53.5%和29.0%。     

汽膜对熔滴水力学碎化影响的数值模拟

在熔融物与冷却剂相互作用(FCI)过程中,熔滴的水力学碎化对于后续是否产生蒸汽爆炸以及爆炸的强弱程度有着重要影响。传统的熔滴水力学碎化数值研究通常只考虑液液直接接触的两相系统;而堆芯熔化后,熔融物温度在2 500K以上,熔融物周围会迅速产生汽膜,导致熔滴和冷却剂之间的传热和阻力特性发生改变。本文基于PLIC-VOF(piecewise linear interface construction-volume of fluid)界面跟踪方法对有汽膜存在的三相系统中的熔滴水力学碎化过程进行了数值研究,通过分析熔滴在有无汽膜和不同边界速度触发情况下碎化过程中的界面特性,发现熔滴碎化程度随Weber数的增加而加剧,汽膜对熔滴的水力学碎化存在一定的抑制作用。     

基于1000 MW级压水堆核电厂压力容器外蒸汽爆炸的模拟研究

以1000 MW级压水堆核电厂为分析对象,建立三维几何模型,采用三维多相计算流体力学程序MC3D对包括粗混合和蒸汽爆炸过程在内的压力容器外熔融燃料与冷却水相互作用过程进行研究。主要研究蒸汽爆炸过程中堆腔内不同位置的压力、冲量变化趋势及破口位置和破口大小对蒸汽爆炸产生冲量大小的影响。分析结果表明,蒸汽爆炸过程产生巨大压力波,将对堆腔结构的完整性造成极大威胁;压力容器下封头圆心和破口位置的连线与压力容器对称轴的夹角为45°、破口直径为0.7 m时,蒸汽爆炸所带来风险的最大。     

事故容错燃料包壳表面液滴碰撞行为及Leidenfrost现象实验研究

为了研究事故容错燃料包壳表面的液滴Leidenfrost现象，本研究采用高速相机对液滴与事故容错燃料包壳SiC和FeCrAl的碰撞行为进行可视化观测，并与常规包壳材料Zr-4对比。结果表明，液滴碰撞方式有沉积、带二次液滴散射的反弹、带二次液滴散射的碎化、反弹和碎化5种；沉积属于核态沸腾换热，反弹和碎化属于膜态沸腾，带二次液滴散射的反弹和带二次液滴散射的碎化属于过渡沸腾换热；液滴的临界热流密度（CHF）温度与韦伯数（We）无关，而Leidenfrost温度随着We和固体表面蓄热系数的增大而增大；在膜态沸腾阶段，液滴的铺展行为与温度无关，随着We的增大，液滴铺展的更快，且能达到更高的铺展因子。      

多维熔融物与冷却剂相互作用分析程序COSMETRIC的开发与验证

基于MCBA-SIMPLE算法开发了自主化的多维熔融物与冷却剂相互作用分析程序COSMETRIC。为验证该程序，针对熔融物与冷却剂相互作用实验KROTOS的典型工况进行了模拟计算。通过与KROTOS37实验结果对比，验证了程序模拟高温熔融物与冷却剂混合过程中熔融物液柱碎化、熔融物液滴迁移以及冷却剂蒸发的能力；通过与KROTOS21实验结果对比，验证了程序对蒸汽爆炸压力脉冲峰值及传播速度预测的合理性。在此基础上，对KROTOS21爆炸工况计算的初始空泡份额、熔滴水力学碎化无量纲时间和熔融物碎片初始直径等参数进行了敏感性分析，评估了这些参数对最终压力脉冲的影响。敏感性分析结果发现，较大的初始空泡份额会抑制压力峰值和传播速度；增大熔融物碎片初始直径和水力学碎化无量纲时间，会提升压力波传播速度，降低压力峰值。     

固溶时效对TC20钛合金显微组织和力学性能的影响

对TC20钛合金进行不同的固溶时效处理,通过室温拉伸试验和平面应变断裂韧性试验,结合光学显微镜、扫描电镜和显微维氏硬度计等测试方法,分析了不同的固溶时效处理工艺参数对TC20钛合金显微组织、力学性能和断口形貌的影响。结果表明:当固溶温度一定时,随着时效温度的升高,合金的强度和硬度提高,塑性和韧性下降。当固溶时效工艺为950℃/0.5 h(水冷,WQ)+500℃/4 h(空冷,AC)时,合金可实现良好的强韧性匹配,此时合金的抗拉强度为1106 MPa,屈服强度为1019MPa,断裂韧性高达87.6MPa·m1/2。未经固溶时效处理的锻态TC20钛合金拉伸和紧凑拉伸(CT)试样,其断口呈现典型的韧性断裂形貌特征,而经不同固溶时效处理的试样断口主要以准解理断裂和解理断裂为主。随着时效温度的升高,拉伸试样断口表面逐渐出现二次裂纹和空洞,塑性逐渐降低,CT试样的韧窝尺寸逐渐变小变浅,断裂韧性逐渐降低。     

Ag-Au-Cu合金表面张力的理论计算

表面张力对于材料而言是一种关键性的性质,该性能在液态金属和合金的成分设计领域有着十分重要的地位,其对铸造以及键合丝键合时金属凝固过程中表面是否开裂、焊接后焊接处的微观形貌有着决定性的影响。使用Butler模型和Toop模型分别计算金银铜及其对应二元合金在熔融状态下的表面张力并与实验值进行对比,从而为金银键合丝的成分设计起到一定的指导作用。结果表明:采用Butler模型和Toop模型计算出二元以及三元合金的表面张力与实验值相差较小。在1381K下,Ag-Au-Cu三元合金表面张力随Au和Cu含量变化介于0.89392~1.32471 N/m之间,表面张力随Ag或者Cu含量增加呈现单调减小或单调增大的趋势。     

BT25钛合金动态再结晶行为的元胞自动机模拟

为研究热加工工艺参数对钛合金塑性成形过程中微观组织的影响,利用Gleeble-3500型热模拟试验机对BT25钛合金进行单道次等温恒应变压缩试验。分析真应力-应变曲线,建立JMAK动态再结晶动力学方程;通过对热变形行为的分析,推导出钛合金的位错密度模型、再结晶形核和晶粒长大模型;结合元胞自动机的算法,建立元胞自动机(Cellular automata, CA)模型并利用该模型模拟和验证了BT25钛合金热变形过程中动态再结晶行为。结果表明,BT25钛合金的流动应力对应变速率和变形温度非常敏感;提高变形温度或降低应变速率均有利于材料发生动态再结晶;CA模型模拟晶粒尺寸误差约为3%,预测DRX体积分数误差在10%以内。该模型具有良好的预测精度,为合金材料在塑性加工过程中优化工艺参数和控制锻件微观组织演变提供了可靠性依据。