基于电磁搅拌的无铅互连新方法的初步研究

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1、华中科技大学硕士学位论文摘要电子封装与组装工业正向无铅化和微型化方向发展，但遇到互连焊点内组织严重不均匀、焊点中存在气孔或孔洞、界面处金属间化合物(IMC)层过厚和焊点内IMC粗大甚至贯穿焊点等影响可靠性的问题。解决上述问题的传统方法为在焊料中添加合金元素以细化晶粒，延长焊料处于液相的时间或研制新的助焊剂以消除焊点内的气孔。本文提出基于电磁搅拌的电子封装与组装无铅互连新方法，电磁搅拌可以改善无铅焊料的凝固结晶行为，从而能够提高无铅焊点的可靠性。电磁搅拌虽然是传统的工艺，在电磁铸造和磁控焊接领域有多年的应用历史，但是把电磁搅拌技术应用于电子制造领域将会出现很多特殊的问题。本文简述了电磁搅拌的工

2、作原理及基本理论，然后深入探讨和分析了电磁搅拌技术应用于电子封装与组装无铅互连工艺过程的可行性。Ni是一种铁磁物质，采用计算机数值模拟的方法分析了凸点下金属化层(UBM)或焊盘镀层金属中的Ni对磁力线分布的影响，指出了在实际进行电磁搅拌时，线圈应该如何布置。当UBM或焊盘镀层金属选用Cu而不选用Ni作为润湿层时，因为Cu不具有导磁性，对磁力线的分布没有影响，模拟的结果也证明了这一点。无铅焊料的电阻率不大，容易产生感生电流的集肤效应，本文还模拟了线圈电流频率与感生电流密度分布和洛伦兹力作用范围的关系，模拟的结果可以指导工艺试验。利用旋转永磁体法对无铅焊料球和基板在受热形成焊点的过程中实施电磁搅

3、拌，试验之后，通过分析结果,发现该方法存在缺陷，对焊点可靠性有不利影响。为了克服旋转永磁体法存在的缺陷，以前面的研究内容为基础，设计了基于单片机的新型电磁搅拌试验装置，通过调整单片机的脉冲输出和线圈的工作电压，可以实现磁场强度的调整、磁场频率的调整和线圈通电次序的调整，为进一步深入研究电磁搅拌技术打下了基础。关键词：电子封装，电磁搅拌，无铅，金属间化合物，凸点下金属化层I华中科技大学硕士学位论文AbstractTheelectronicpackagingandassemblyindustryisnowleadingtotheprocessoflead-freeandminiature.How

4、ever,manyreliabilityproblemsoccurredinthisprocess,suchasthemicrostructureofsolderalloysdistributeddisproportionately,airholesandvoidsformedinthesolderjoints,excessiveintermetalliccompound(IMC)formationinsolder/padinterface.Thetraditionalwaytosolvethisproblemisaddingalloyelementstoreducecrystalgrain

5、size,prolongingthetimespentaboveliquidlineordevelopingnewfluxsoastoeliminatevoidsformedinthesolderjoints.Anewelectronicpackagingandassemblylead-freeinterconnectmethodbasedonelectromagneticstirringhasbeenproposedinthisthesis.Electromagneticstirringcanimprovethereliabilityoflead-freesolderjointsbyopt

6、imizingthelead-freesolder’ssolidificationandcrystallizationbehavior.Althoughelectromagneticstirringisatraditionaltechnique,andhasbeenwidelyusedinthefieldsofelectromagneticcastingandmagneticcontrolledweldingformanyyears,numerousspecificproblemswillbearousedaslongastheelectromagneticstirringtechnolog

7、yisbroughtintothefieldofelectronicmanufacturing.Theworkingprincipleandbasictheoriesofelectromagneticstirringhavebeenintroducedbriefly,andthen,thefeasibilityofapplyingtheelectromagneticstirringmethodinthefie