【摘 要】
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在大尺寸电子产品封装领域,内应力较小的柱栅阵列封装（Column Grid Array,CGA）广受欢迎。传统的铜柱栅阵列（Cooper Column Grid Array,CuCGA）需借助额外的辅助装置来实现互连。本课题组研究出一种新式无辅助定位装置的CuCGA互连方法。用微型台钻将Cu柱和钎料球间形成CuCGA焊点。本文使用SAC0307钎料球、直径0.8 mm的纯Cu柱和带有直径2.4 m
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在大尺寸电子产品封装领域,内应力较小的柱栅阵列封装（Column Grid Array,CGA）广受欢迎。传统的铜柱栅阵列（Cooper Column Grid Array,CuCGA）需借助额外的辅助装置来实现互连。本课题组研究出一种新式无辅助定位装置的CuCGA互连方法。用微型台钻将Cu柱和钎料球间形成CuCGA焊点。本文使用SAC0307钎料球、直径0.8 mm的纯Cu柱和带有直径2.4 mm Cu焊盘的PCB板制备CuCGA焊点。本文模拟双面焊的形式对摩擦焊焊点进行回流处理;模拟产品处于低温时效的环境对摩擦焊焊点进行低温时效处理,由此研究焊点的可靠性。研究高成本的Ag含量对焊点的影响制备了SAC305/Cu柱摩擦焊焊点进行对比分析。SAC0307/Cu柱摩擦焊焊点在热力耦合的作用下使焊点内部被分成3个区:搅拌区（Stir Zone,SZ）距离界面约为0-120μm;热机影响区（Thermo-mechanically Affected Zone,TMAZ）距离界面约为120-220μm;距离界面约220μm以外为母材区（Base Material,BM）。焊点界面处产生一层平均厚度约为1.01μm的Cu-Sn扩散层,焊点的平均拉脱载荷为32.21 N。焊点内部各区的平均压痕硬度均距离Cu柱越远硬度越高,SZ为155.65 MPa、TMAZ为172.76 MPa、BM为206.51MPa。Ag含量高会提升焊点内部压痕硬度,但对焊点的连接强度影响不大。SAC305/Cu柱摩擦焊焊点内部SZ、TMAZ和BM的平均压痕硬度为195.65 MPa、240.94 MPa和260.21 MPa,平均拉脱载荷为31.62 N。回流后SAC0307/Cu柱摩擦焊焊点内部组织发生了长大的现象。焊点界面处生成平均厚度约2.12μm的Cu6Sn5层,平均拉脱载荷增到104.82 N。焊点内部SZ、TMAZ和BM的平均压痕硬度为188.91 MPa、202.49 MPa和216.08 MPa。SAC0307/Cu柱摩擦焊焊点进行75℃和90℃时效25天内的时效处理,界面IMC层的成分为Cu6Sn5,无Cu3Sn的产生。75℃时效25天时IMC层平均厚度约为7.53μm。平均拉脱载荷在时效16天时增到70.03 N,时效25天时降到66.72N。90℃时效25天时IMC层平均厚度约为9.98μm。平均拉脱载荷在时效16天时增到74.54 N,时效25天时降到71.31 N。时效后SAC0307/Cu柱摩擦焊焊点内部组织发生了长大的现象,β-Sn基体上IMC颗粒的密度降低。由于时效温度较低SZ组织形态无较大变化。BM组织中未观察到网状结构,这是因为钎料中Ag含量较低,焊点内部网状分布稀疏,颗粒数量少且尺寸大,晶粒在时效中长大使密度进一步变疏,难以呈现清晰的网状结构。时效后焊点内部SZ硬度有所提升,TMAZ硬度在时效前期有提升,时效后期硬度低于未时效时,BM硬度均低于未时效时。90℃时效后SAC305/Cu柱摩擦焊焊点比SAC0307/Cu柱摩擦焊焊点界面IMC层薄,时效25天时界面IMC层的平均厚度约为3.02μm。Ag含量对时效焊点的连接强度影响较小,平均拉脱载荷在时效16天时增到72.35 N,时效25天时降到70.44 N。时效后焊点内部组织也发生了粗化现象,但是BM组织依然保持网状颗粒分布。相同时效条件下焊点内部各区硬度均比SAC0307/Cu柱摩擦焊焊点高。
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