基于毛細(xì)填縫效應(yīng)的CGA器件焊柱成形：方法、組織與性能的深度探究一、緒論1.1研究背景與意義在當(dāng)今數(shù)字化時(shí)代，電子產(chǎn)品正朝著小型化、輕量化、高性能以及高可靠性的方向迅猛發(fā)展，這對(duì)電子封裝技術(shù)提出了極為嚴(yán)苛的要求。電子封裝作為連接芯片與外部電路的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其性能優(yōu)劣直接關(guān)乎整個(gè)電子系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性、信號(hào)傳輸速度以及散熱效果等核心指標(biāo)。CGA（ColumnGridArray，柱柵陣列）器件憑借其卓越的電氣性能、出色的散熱能力以及較高的I/O密度，在航空航天、軍事裝備、高性能計(jì)算等諸多高端領(lǐng)域中得到了廣泛且深入的應(yīng)用，已然成為現(xiàn)代電子封裝領(lǐng)域的研究重點(diǎn)與發(fā)展熱點(diǎn)。CGA器件的焊柱作為實(shí)現(xiàn)電氣連接與機(jī)械支撐的關(guān)鍵部件，其成形質(zhì)量對(duì)器件性能起著決定性作用。傳統(tǒng)的CGA器件焊柱成形方法，如釬料柱直接焊接、銅柱回流焊接等，雖在一定程度上能夠滿足部分應(yīng)用需求，但在面對(duì)日益增長的高性能要求時(shí)，逐漸暴露出諸多局限性。這些方法存在焊接界面質(zhì)量不穩(wěn)定、應(yīng)力集中問題突出、焊點(diǎn)可靠性欠佳以及生產(chǎn)效率較低等弊端，嚴(yán)重制約了CGA器件在高端領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用與發(fā)展?；诿?xì)填縫效應(yīng)的焊柱成形方法，為解決上述難題提供了全新的思路與途徑，成為提升CGA器件性能的關(guān)鍵技術(shù)。毛細(xì)填縫效應(yīng)是指在微小間隙中，液體在表面張力的作用下自發(fā)填充間隙的現(xiàn)象。將這一效應(yīng)應(yīng)用于CGA器件焊柱成形過程，能夠顯著改善焊接界面的潤濕性，有效增強(qiáng)焊接接頭的結(jié)合強(qiáng)度，進(jìn)而提高焊點(diǎn)的可靠性與穩(wěn)定性。此外，該方法還具有工藝簡單、易于控制、生產(chǎn)效率高以及成本較低等顯著優(yōu)勢(shì)，具備良好的應(yīng)用前景與發(fā)展?jié)摿ΑＩ钊胙芯炕诿?xì)填縫效應(yīng)的CGA器件焊柱成形方法及組織性能，不僅有助于揭示毛細(xì)填縫過程中的物理機(jī)制與冶金反應(yīng)規(guī)律，豐富和完善微連接技術(shù)理論體系，還能為CGA器件的設(shè)計(jì)、制造與應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論支撐與技術(shù)指導(dǎo)，對(duì)于推動(dòng)電子封裝技術(shù)的進(jìn)步、提升我國在高端電子領(lǐng)域的核心競(jìng)爭力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1CGA封裝研究現(xiàn)狀CGA封裝技術(shù)作為一種先進(jìn)的面陣列封裝形式，在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在航空航天領(lǐng)域，隨著飛行器性能的不斷提升，對(duì)電子設(shè)備的小型化、輕量化和高可靠性提出了極高的要求。CGA器件憑借其較高的I/O密度和良好的電氣性能，能夠滿足航空航天設(shè)備在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能的需求，例如在衛(wèi)星通信系統(tǒng)、航空電子控制系統(tǒng)中，CGA器件被大量應(yīng)用于信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)汝P(guān)鍵模塊，其穩(wěn)定的性能為航空航天任務(wù)的順利執(zhí)行提供了有力保障。在通訊領(lǐng)域，5G乃至未來6G通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)通信設(shè)備的高速率、低延遲和大容量提出了挑戰(zhàn)。CGA封裝技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高速信號(hào)的有效傳輸，降低信號(hào)傳輸過程中的損耗和干擾，在基站、核心網(wǎng)設(shè)備以及高端通信終端中發(fā)揮著重要作用，有助于提升通信系統(tǒng)的整體性能和可靠性。目前，CGA封裝研究的重點(diǎn)主要集中在提高封裝密度、增強(qiáng)散熱性能以及提升焊點(diǎn)可靠性等方面。在提高封裝密度方面，研究人員通過不斷優(yōu)化焊柱的布局和尺寸設(shè)計(jì)，以及采用新型的封裝材料和工藝，來增加單位面積內(nèi)的I/O數(shù)量，以滿足電子產(chǎn)品日益增長的功能需求。在增強(qiáng)散熱性能方面，一方面，通過改進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)，如采用熱導(dǎo)率更高的基板材料、增加散熱通道等方式，提高熱量從芯片到外界的傳遞效率；另一方面，研究新型的散熱技術(shù)，如液冷散熱、微通道散熱等，并將其應(yīng)用于CGA封裝中，以應(yīng)對(duì)芯片功率不斷增加帶來的散熱難題。在提升焊點(diǎn)可靠性方面，深入研究焊點(diǎn)在各種復(fù)雜工況下的失效機(jī)理，通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)、選擇合適的釬料以及添加界面改性層等手段，提高焊點(diǎn)的抗疲勞性能和連接強(qiáng)度，確保CGA器件在長期使用過程中的穩(wěn)定性。然而，CGA封裝技術(shù)在發(fā)展過程中也面臨著諸多難點(diǎn)。例如，隨著封裝密度的不斷提高，焊柱之間的間距越來越小，這對(duì)焊接工藝的精度和一致性提出了極高的要求，微小的偏差都可能導(dǎo)致焊接缺陷的產(chǎn)生，進(jìn)而影響器件的性能和可靠性。此外，在不同的應(yīng)用環(huán)境下，如高溫、高濕度、強(qiáng)輻射等極端條件，CGA器件的性能會(huì)受到顯著影響，如何提高其在惡劣環(huán)境下的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，也是當(dāng)前研究亟待解決的問題。同時(shí)，隨著電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度加快，對(duì)CGA封裝技術(shù)的研發(fā)周期和成本控制也提出了更高的要求，如何在保證性能的前提下，縮短研發(fā)時(shí)間、降低生產(chǎn)成本，是行業(yè)發(fā)展面臨的重要挑戰(zhàn)。1.2.2封裝方式研究現(xiàn)狀在電子封裝領(lǐng)域，存在多種封裝方式，不同的封裝方式具有各自的特點(diǎn)和適用場(chǎng)景。BGA（BallGridArray，球柵陣列）封裝是一種較為常見的面陣列封裝方式，其通過焊球?qū)崿F(xiàn)芯片與電路板之間的連接。BGA封裝具有較高的I/O密度，能夠在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大量引腳的連接，同時(shí)，由于焊球的存在，信號(hào)傳輸路徑相對(duì)較短，電氣性能較好。此外，BGA封裝的焊點(diǎn)分布在芯片底部，與傳統(tǒng)的引腳封裝相比，具有更好的散熱性能，能夠有效降低芯片的工作溫度。然而，BGA封裝也存在一些不足之處，例如，由于焊球位于芯片底部，檢測(cè)和維修難度較大，需要借助X射線等特殊設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)；同時(shí)，BGA封裝對(duì)焊接工藝要求較高，焊接過程中容易出現(xiàn)虛焊、短路等問題。QFP（QuadFlatPackage，四方扁平封裝）是一種表面貼裝型封裝方式，其引腳分布在芯片的四個(gè)側(cè)面。QFP封裝具有引腳間距小、封裝尺寸小等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的組裝密度。在早期的電子產(chǎn)品中，QFP封裝得到了廣泛的應(yīng)用，如在一些中小規(guī)模集成電路中，QFP封裝能夠滿足其功能和尺寸要求。但是，隨著電子產(chǎn)品對(duì)I/O密度和性能要求的不斷提高，QFP封裝的局限性逐漸顯現(xiàn)出來。由于引腳數(shù)量的增加，引腳間距不斷縮小，這使得引腳在焊接和使用過程中容易出現(xiàn)變形、斷裂等問題，從而影響器件的可靠性。此外，QFP封裝的電氣性能相對(duì)較差，信號(hào)傳輸過程中的延遲和損耗較大，難以滿足高速、高頻信號(hào)傳輸?shù)男枨?。與BGA、QFP等封裝方式相比，CGA封裝在散熱和緩解應(yīng)力方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在散熱方面，CGA封裝采用了高度更高的焊柱，這些焊柱不僅能夠?qū)崿F(xiàn)電氣連接，還能夠作為散熱通道，將芯片產(chǎn)生的熱量快速傳遞到外界。研究表明，CGA封裝的熱阻明顯低于BGA封裝，能夠有效降低芯片的工作溫度，提高芯片的性能和可靠性。在緩解應(yīng)力方面，由于CGA封裝的焊柱具有一定的柔性，能夠在一定程度上緩沖陶瓷芯片載體基板與印刷電路板之間因熱膨脹系數(shù)差異而產(chǎn)生的應(yīng)力。特別是在溫度循環(huán)變化的環(huán)境下，CGA封裝能夠更好地適應(yīng)這種應(yīng)力變化，減少焊點(diǎn)的疲勞失效，提高器件的使用壽命。因此，在對(duì)散熱和可靠性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景中，CGA封裝具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，逐漸成為高端電子設(shè)備的首選封裝方式。1.2.3釬料毛細(xì)填縫毛細(xì)填縫效應(yīng)是指當(dāng)液體處于微小間隙中時(shí)，在表面張力的作用下，液體能夠自發(fā)地填充間隙的現(xiàn)象。這一效應(yīng)的產(chǎn)生源于液體表面分子受到的不平衡力，使得液體表面具有收縮的趨勢(shì)，從而在微小間隙中形成向上或向下的驅(qū)動(dòng)力，促使液體填充間隙。在CGA器件焊柱成形中，毛細(xì)填縫效應(yīng)被廣泛應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)焊柱與焊盤之間的可靠連接。當(dāng)?shù)腿埸c(diǎn)焊錫膏在回流焊過程中熔化后，液態(tài)釬料在表面張力的作用下，會(huì)迅速填充焊柱與焊球定位孔之間的毛細(xì)間隙，實(shí)現(xiàn)良好的潤濕和結(jié)合。影響釬料毛細(xì)填縫效果的因素眾多。首先，釬料的表面張力是關(guān)鍵因素之一。表面張力較小的釬料，更容易在毛細(xì)力的作用下填充間隙，形成良好的連接。例如，SnBi共晶軟釬料相較于其他一些釬料，具有較低的表面張力，在毛細(xì)填縫過程中表現(xiàn)出更好的填充性能。其次，毛細(xì)間隙的大小對(duì)填縫效果也有顯著影響。一般來說，毛細(xì)間隙越小，毛細(xì)力越大，填縫效果越好。但過小的毛細(xì)間隙可能會(huì)導(dǎo)致釬料流動(dòng)不暢，增加填縫難度。研究表明，當(dāng)毛細(xì)間隙在一定范圍內(nèi)（如幾十微米）時(shí)，能夠獲得最佳的填縫效果。此外，焊柱和焊盤的表面粗糙度、清潔度以及助焊劑的性能等，也會(huì)對(duì)毛細(xì)填縫產(chǎn)生影響。表面粗糙度適宜、清潔度高的焊柱和焊盤，有利于釬料的潤濕和填縫；而性能優(yōu)良的助焊劑能夠去除表面氧化膜，降低釬料表面張力，促進(jìn)毛細(xì)填縫的進(jìn)行。1.2.4時(shí)效對(duì)組織的影響時(shí)效處理是一種通過在一定溫度下對(duì)材料進(jìn)行長時(shí)間保溫，以改變其組織結(jié)構(gòu)和性能的工藝方法。在CGA器件焊點(diǎn)中，時(shí)效處理對(duì)焊點(diǎn)組織和性能有著重要的影響。在焊點(diǎn)組織方面，時(shí)效過程中會(huì)發(fā)生金屬間化合物（IMC）層的生長。IMC層是在焊點(diǎn)與基板界面處形成的一種化合物層，其成分和結(jié)構(gòu)與焊點(diǎn)和基板材料不同。隨著時(shí)效時(shí)間的延長，IMC層會(huì)逐漸增厚。例如，在Sn基釬料與Cu基板形成的焊點(diǎn)中，時(shí)效過程中會(huì)形成Cu?Sn?和Cu?Sn等IMC相，且它們的厚度會(huì)隨著時(shí)效時(shí)間的增加而增加。IMC層的生長對(duì)焊點(diǎn)性能既有有利的一面，也有不利的一面。一方面，適量的IMC層能夠增強(qiáng)焊點(diǎn)與基板之間的結(jié)合強(qiáng)度，提高焊點(diǎn)的可靠性；另一方面，過厚的IMC層會(huì)變得脆性增加，容易導(dǎo)致焊點(diǎn)在受力時(shí)發(fā)生脆性斷裂，降低焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度。時(shí)效處理還會(huì)對(duì)焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度產(chǎn)生影響。在時(shí)效初期，由于IMC層的逐漸形成和生長，焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度會(huì)有所提高。但當(dāng)時(shí)效時(shí)間過長時(shí)，IMC層過厚，焊點(diǎn)的韌性下降，連接強(qiáng)度反而會(huì)降低。此外，時(shí)效溫度對(duì)焊點(diǎn)連接強(qiáng)度也有顯著影響。較高的時(shí)效溫度會(huì)加速IMC層的生長，使得焊點(diǎn)連接強(qiáng)度的變化更為明顯。研究表明，在不同的時(shí)效溫度和時(shí)間條件下，焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度會(huì)呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。因此，在CGA器件的生產(chǎn)和應(yīng)用過程中，合理控制時(shí)效處理的工藝參數(shù)，對(duì)于優(yōu)化焊點(diǎn)組織和性能、提高器件的可靠性具有重要意義。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容基于毛細(xì)填縫效應(yīng)的CGA器件焊柱成形方法研究：深入研究基于毛細(xì)填縫效應(yīng)的CGA器件焊柱成形的具體工藝步驟與參數(shù)優(yōu)化。通過在芯片載體基板和印刷電路板陣列排布的焊盤上印刷高熔點(diǎn)焊錫膏，經(jīng)回流焊植球后，利用微型精密鉆床在焊球中形成定位孔。研究不同尺寸的鋼質(zhì)鉆頭對(duì)定位孔質(zhì)量的影響，以及如何精確控制鉆頭下壓鉆入焊球的深度，以確保定位孔的尺寸精度和一致性。隨后，將適量低熔點(diǎn)焊錫膏粘附在定位孔外焊球頂部一側(cè)，插入焊柱并進(jìn)行回流焊，探究低熔點(diǎn)焊錫膏的種類、粘附量以及回流焊的溫度曲線、加熱時(shí)間等參數(shù)對(duì)毛細(xì)填縫效果和焊柱成形質(zhì)量的影響。CGA器件焊點(diǎn)組織觀察：運(yùn)用掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）等先進(jìn)設(shè)備，對(duì)CGA器件焊點(diǎn)的微觀組織進(jìn)行細(xì)致觀察。分析焊點(diǎn)界面處金屬間化合物（IMC）的形成、生長及分布情況，研究不同釬料體系下IMC的種類、形貌和厚度變化規(guī)律。例如，在Sn基釬料與Cu基板形成的焊點(diǎn)中，觀察Cu?Sn?和Cu?Sn等IMC相的生長特性，以及它們對(duì)焊點(diǎn)結(jié)合強(qiáng)度和可靠性的影響。同時(shí)，觀察釬料過渡區(qū)的組織形態(tài)，包括釬料的微觀結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸和取向等，探討其與毛細(xì)填縫過程和焊接工藝參數(shù)之間的關(guān)系。CGA器件焊點(diǎn)性能測(cè)試：對(duì)CGA器件焊點(diǎn)的力學(xué)性能和物理性能進(jìn)行全面測(cè)試。力學(xué)性能方面，通過拉伸試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)等方法，測(cè)定焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度、抗疲勞性能等指標(biāo)。研究不同時(shí)效處理?xiàng)l件下，焊點(diǎn)連接強(qiáng)度的變化規(guī)律，分析時(shí)效過程中IMC層生長對(duì)焊點(diǎn)力學(xué)性能的影響。物理性能方面，測(cè)試焊點(diǎn)的導(dǎo)電性、熱阻等參數(shù)，評(píng)估其在電氣性能和散熱性能方面的表現(xiàn)。例如，采用四探針法測(cè)量焊點(diǎn)的電阻率，研究其在不同工作溫度和電流密度下的變化情況，以確定焊點(diǎn)的導(dǎo)電性是否滿足實(shí)際應(yīng)用需求。1.3.2研究方法試驗(yàn)研究：搭建完善的試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行基于毛細(xì)填縫效應(yīng)的CGA器件焊柱成形試驗(yàn)。準(zhǔn)備不同材質(zhì)和規(guī)格的芯片載體基板、印刷電路板、焊錫膏、焊柱等試驗(yàn)材料。利用高精度的印刷設(shè)備，精確控制高熔點(diǎn)焊錫膏在焊盤上的印刷厚度和面積。采用先進(jìn)的微型精密鉆床，進(jìn)行焊球定位孔的加工，確保定位孔的尺寸精度和位置精度。在低熔點(diǎn)焊錫膏的粘附及焊柱插裝過程中，嚴(yán)格控制操作工藝，保證焊柱的垂直度和對(duì)中精度。通過熱風(fēng)回流焊爐進(jìn)行焊接，精確設(shè)定回流焊的溫度曲線和時(shí)間參數(shù)，研究不同工藝條件下的焊柱成形質(zhì)量。微觀組織分析：將制備好的CGA器件焊點(diǎn)樣品進(jìn)行切片、研磨、拋光等預(yù)處理，然后利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察焊點(diǎn)的整體形貌、界面結(jié)構(gòu)和IMC層的生長情況。使用能譜分析儀（EDS）對(duì)焊點(diǎn)中的元素分布進(jìn)行分析，確定IMC的成分和化學(xué)組成。對(duì)于需要更深入研究的微觀結(jié)構(gòu)，采用透射電子顯微鏡（TEM）進(jìn)行觀察，分析釬料過渡區(qū)的晶體結(jié)構(gòu)、位錯(cuò)分布等微觀特征。通過這些微觀組織分析方法，深入了解毛細(xì)填縫過程中焊點(diǎn)的組織結(jié)構(gòu)演變規(guī)律。性能測(cè)試：使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行焊點(diǎn)的拉伸試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)，測(cè)量焊點(diǎn)在不同受力條件下的破壞載荷，從而評(píng)估焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度。通過疲勞試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行循環(huán)加載，測(cè)試其抗疲勞性能，記錄焊點(diǎn)在疲勞過程中的失效循環(huán)次數(shù)和失效模式。采用四探針測(cè)試儀測(cè)量焊點(diǎn)的電阻率，評(píng)估其導(dǎo)電性。利用熱阻測(cè)試設(shè)備，測(cè)量焊點(diǎn)的熱阻，分析其散熱性能。通過這些性能測(cè)試方法，全面評(píng)估基于毛細(xì)填縫效應(yīng)的CGA器件焊柱成形后的性能優(yōu)劣。二、試驗(yàn)過程及方法2.1試驗(yàn)材料和設(shè)備本試驗(yàn)選用的芯片載體基板材質(zhì)為陶瓷，其具有良好的絕緣性能和較高的熱穩(wěn)定性，能夠滿足CGA器件在復(fù)雜工作環(huán)境下的要求。印刷電路板采用FR-4基板，該基板具有成本低、機(jī)械性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子封裝領(lǐng)域。在焊錫膏的選擇上，高熔點(diǎn)焊錫膏選用SnAgCu系共晶軟釬料，其熔點(diǎn)較高，能夠在后續(xù)的焊接過程中保持穩(wěn)定，為焊柱的成形提供可靠的基礎(chǔ)。低熔點(diǎn)焊錫膏則選用SnBi共晶軟釬料，其熔點(diǎn)相對(duì)較低，在回流焊過程中能夠快速熔化，實(shí)現(xiàn)毛細(xì)填縫，確保焊柱與焊盤之間的良好連接。焊柱材質(zhì)為銅，銅具有良好的導(dǎo)電性和機(jī)械強(qiáng)度，能夠滿足CGA器件對(duì)電氣性能和機(jī)械性能的要求。在試驗(yàn)設(shè)備方面，微型精密鉆床用于在焊球中加工定位孔，該鉆床具有高精度的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠精確控制鉆頭的位置和運(yùn)動(dòng)速度，確保定位孔的尺寸精度和位置精度。熱風(fēng)回流焊爐用于實(shí)現(xiàn)焊錫膏的回流焊接，其具備精確的溫度控制功能，能夠按照預(yù)設(shè)的溫度曲線對(duì)焊接樣品進(jìn)行加熱和冷卻，保證焊接過程的穩(wěn)定性和一致性。此外，還配備了高精度的電子天平，用于精確稱量焊錫膏的質(zhì)量，以確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。在焊點(diǎn)組織觀察及性能測(cè)試環(huán)節(jié)，使用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察焊點(diǎn)的微觀組織形態(tài)，能譜分析儀（EDS）用于分析焊點(diǎn)中元素的分布情況，納米壓痕儀用于測(cè)試焊點(diǎn)的硬度和彈性模量等力學(xué)性能。這些設(shè)備的協(xié)同使用，為深入研究基于毛細(xì)填縫效應(yīng)的CGA器件焊柱成形方法及組織性能提供了有力的支持。2.2試驗(yàn)過程2.2.1試驗(yàn)前期材料準(zhǔn)備在試驗(yàn)前期，對(duì)芯片載體基板和印刷電路板進(jìn)行了細(xì)致的清潔與處理。首先，使用無水乙醇對(duì)基板和焊盤進(jìn)行超聲清洗，以去除表面的油污、灰塵等雜質(zhì)，確保表面的潔凈度。清洗時(shí)間控制在15-20分鐘，超聲功率設(shè)定為50-60W，以保證清洗效果的同時(shí)，避免對(duì)基板和焊盤造成損傷。清洗后，將基板和焊盤置于干燥箱中，在80-100℃的溫度下干燥1-2小時(shí)，去除殘留的水分。對(duì)于焊錫膏，使用高精度的電子天平分別稱取適量的高熔點(diǎn)焊錫膏和低熔點(diǎn)焊錫膏。高熔點(diǎn)焊錫膏選用SnAgCu系共晶軟釬料，低熔點(diǎn)焊錫膏選用SnBi共晶軟釬料。在稱取過程中，嚴(yán)格控制稱量誤差在±0.01g以內(nèi)，以確保焊錫膏用量的準(zhǔn)確性。稱取完成后，將焊錫膏置于專用的容器中，并密封保存，防止其受潮和氧化。焊柱選用直徑為d1的銅柱，在使用前，對(duì)銅柱進(jìn)行表面處理。先使用砂紙對(duì)銅柱表面進(jìn)行打磨，去除表面的氧化層和雜質(zhì)，然后用無水乙醇進(jìn)行清洗，最后在氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行干燥處理，以保證銅柱表面的清潔和活性。2.2.2焊點(diǎn)制備基于毛細(xì)填縫效應(yīng)的焊點(diǎn)制備過程如下：首先，利用高精度的印刷設(shè)備，在芯片載體基板和印刷電路板陣列排布的焊盤上印刷高熔點(diǎn)焊錫膏。印刷過程中，嚴(yán)格控制印刷厚度和面積，確保高熔點(diǎn)焊錫膏均勻地分布在焊盤上。印刷厚度控制在0.1-0.15mm之間，印刷面積與焊盤面積的偏差控制在±5%以內(nèi)。印刷完成后，將基板放入熱風(fēng)回流焊爐中進(jìn)行回流焊，實(shí)現(xiàn)焊盤上的植球。回流焊的峰值溫度設(shè)定為高熔點(diǎn)焊錫膏中釬料熔點(diǎn)以上30℃，高溫停留時(shí)間為100秒，升溫速率和降溫速率分別控制在2-3℃/s和3-4℃/s。植球完成后，利用微型精密鉆床在陣列焊球中形成定位孔。將直徑為d的鋼質(zhì)鉆頭裝夾于微型高精度鉆床的夾頭中，通過程序控制待植柱焊盤所在的基板運(yùn)動(dòng)，使待植柱焊盤位于鉆頭正下方并與鉆頭的軸心對(duì)中。隨后，利用鉆床帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)同時(shí)向待植柱焊盤上的焊球運(yùn)動(dòng)，待鉆頭下壓鉆入焊球內(nèi)預(yù)定的深度S后，提起鉆頭，在單個(gè)焊球中形成深度為S、直徑為d的定位孔。在鉆孔過程中，嚴(yán)格控制鉆頭的轉(zhuǎn)速和下壓速度，轉(zhuǎn)速控制在5000-8000r/min，下壓速度控制在0.05-0.1mm/s，以確保定位孔的尺寸精度和質(zhì)量。按照相同的尺寸參數(shù)和工藝參數(shù)，逐個(gè)鉆削芯片載體基板和印刷電路板上陣列排布的焊盤上的焊球，獲得相同深度和直徑的定位孔。借助針筒將適量低熔點(diǎn)焊錫膏擠出并粘附在芯片載體基板和印刷電路板陣列排布的、定位孔以外的焊球頂部的一側(cè)（約180°周長范圍）。在粘附過程中，控制低熔點(diǎn)焊錫膏的擠出量，確保其在回流焊后能夠填充滿定位孔與焊柱之間的毛細(xì)間隙。將相同規(guī)格的焊柱的兩端插裝于兩側(cè)芯片載體基板和印刷電路板陣列排布的焊球的定位孔中，期間施加適當(dāng)壓力使焊柱的兩端均完全嵌入到定位孔的底部。在插裝過程中，保證焊柱的垂直度和對(duì)中精度，垂直度偏差控制在±0.5°以內(nèi)，對(duì)中精度控制在±0.05mm以內(nèi)。將插裝后的陣列焊柱結(jié)構(gòu)置于熱風(fēng)回流焊爐中進(jìn)行回流焊，僅使低熔點(diǎn)焊錫膏熔化填充毛細(xì)間隙并實(shí)現(xiàn)陣列焊柱的兩端與兩側(cè)芯片載體基板和印刷電路板上的陣列焊球之間的植柱連接。熱風(fēng)的加熱先使低熔點(diǎn)焊錫膏中的助焊劑激活、流動(dòng)并去除焊柱及焊球定位孔表面的氧化膜。隨后在峰值溫度期間，低熔點(diǎn)焊錫膏中的釬料顆粒發(fā)生熔化、進(jìn)而潤濕焊柱及焊球定位孔并在彎曲液面附加壓力的驅(qū)動(dòng)下填充焊柱與焊球定位孔之間的毛細(xì)間隙。冷卻凝固后，實(shí)現(xiàn)了陣列焊柱的兩端與兩側(cè)芯片載體基板和印刷電路板上的帶定位孔的陣列焊球之間的植柱連接。回流焊的峰值溫度設(shè)定為低熔點(diǎn)焊錫膏中釬料熔點(diǎn)以上20℃，高溫停留時(shí)間為80秒，升溫速率和降溫速率分別控制在1-2℃/s和2-3℃/s。2.2.3時(shí)效處理對(duì)制備好的焊點(diǎn)進(jìn)行時(shí)效處理，以模擬焊點(diǎn)在實(shí)際使用中的老化過程，研究時(shí)效對(duì)焊點(diǎn)組織和性能的影響。時(shí)效處理在恒溫箱中進(jìn)行，將焊點(diǎn)樣品放入恒溫箱后，設(shè)定時(shí)效溫度為125℃，時(shí)效時(shí)間分別為24h、48h、72h和96h。在時(shí)效過程中，每隔12h對(duì)恒溫箱的溫度進(jìn)行一次檢測(cè)和校準(zhǔn)，確保溫度波動(dòng)控制在±2℃以內(nèi)，以保證時(shí)效處理的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。通過不同時(shí)效時(shí)間的處理，分析焊點(diǎn)在不同老化程度下的組織演變和性能變化規(guī)律，為CGA器件的可靠性評(píng)估提供依據(jù)。2.3焊點(diǎn)組織觀察及力學(xué)性能測(cè)試2.3.1焊點(diǎn)組織觀察焊點(diǎn)組織觀察是深入了解基于毛細(xì)填縫效應(yīng)的CGA器件焊柱成形質(zhì)量的重要手段。在本研究中，主要利用金相顯微鏡和掃描電鏡對(duì)焊點(diǎn)界面組織和釬料過渡區(qū)組織進(jìn)行觀察。首先，對(duì)焊點(diǎn)樣品進(jìn)行嚴(yán)格的預(yù)處理。將焊點(diǎn)從試驗(yàn)基板上小心切割下來，切割過程中確保焊點(diǎn)不受損傷。隨后，使用砂紙對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行逐級(jí)打磨，從粗砂紙到細(xì)砂紙，依次去除表面的雜質(zhì)和加工痕跡，使焊點(diǎn)表面平整光滑。打磨完成后，將焊點(diǎn)放入拋光機(jī)中進(jìn)行拋光處理，采用合適的拋光液和拋光布，使焊點(diǎn)表面達(dá)到鏡面效果，為后續(xù)的組織觀察提供良好的條件。利用金相顯微鏡對(duì)焊點(diǎn)的宏觀組織進(jìn)行初步觀察。金相顯微鏡能夠清晰地顯示焊點(diǎn)的整體形態(tài)、尺寸以及焊柱與焊盤之間的連接情況。通過金相顯微鏡的觀察，可以直觀地判斷焊點(diǎn)是否存在明顯的缺陷，如氣孔、裂紋等，同時(shí)還可以測(cè)量焊點(diǎn)的尺寸參數(shù)，如焊柱直徑、高度以及焊點(diǎn)的厚度等。對(duì)于焊點(diǎn)界面組織和釬料過渡區(qū)組織的深入觀察，則需要借助掃描電鏡（SEM）。SEM具有高分辨率和高放大倍數(shù)的特點(diǎn)，能夠清晰地展示焊點(diǎn)微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。在觀察過程中，使用SEM的背散射電子成像模式（BSE），可以根據(jù)不同元素的原子序數(shù)差異，清晰地區(qū)分焊點(diǎn)中的不同相，如釬料相、金屬間化合物相以及基體相。通過對(duì)焊點(diǎn)界面組織的觀察，可以研究金屬間化合物（IMC）的形成、生長和分布情況。IMC的存在對(duì)焊點(diǎn)的性能有著重要影響，合適的IMC層能夠增強(qiáng)焊點(diǎn)與基板之間的結(jié)合強(qiáng)度，但過厚或生長不均勻的IMC層則可能導(dǎo)致焊點(diǎn)的脆性增加，降低焊點(diǎn)的可靠性。在觀察釬料過渡區(qū)組織時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注釬料的微觀結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸和取向等特征。這些特征與毛細(xì)填縫過程和焊接工藝參數(shù)密切相關(guān)。例如，在毛細(xì)填縫過程中，釬料的流動(dòng)和填充方式會(huì)影響釬料的結(jié)晶形態(tài)和晶粒生長方向。通過對(duì)釬料過渡區(qū)組織的分析，可以深入了解毛細(xì)填縫效應(yīng)在焊柱成形過程中的作用機(jī)制，為優(yōu)化焊接工藝提供理論依據(jù)。2.3.2焊點(diǎn)的Cu柱互連拉脫載荷試驗(yàn)焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度是評(píng)估CGA器件性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，而Cu柱互連拉脫載荷試驗(yàn)是測(cè)試焊點(diǎn)連接強(qiáng)度的常用方法。本試驗(yàn)通過專門的拉脫試驗(yàn)設(shè)備，對(duì)基于毛細(xì)填縫效應(yīng)成形的焊點(diǎn)進(jìn)行拉脫測(cè)試，以獲取焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度數(shù)據(jù)。拉脫試驗(yàn)設(shè)備主要由加載裝置、力傳感器和位移傳感器等部分組成。加載裝置能夠提供穩(wěn)定的拉力，力傳感器用于精確測(cè)量拉脫過程中施加在焊點(diǎn)上的力，位移傳感器則用于監(jiān)測(cè)焊點(diǎn)在拉脫過程中的位移變化。在試驗(yàn)前，對(duì)拉脫試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的校準(zhǔn)，確保力傳感器和位移傳感器的測(cè)量精度滿足試驗(yàn)要求。將制備好的帶有焊點(diǎn)的樣品固定在拉脫試驗(yàn)設(shè)備的夾具上，確保焊點(diǎn)與夾具的連接牢固且對(duì)中。調(diào)整加載裝置，使拉力緩慢且均勻地施加在焊點(diǎn)上，加載速率控制在0.5-1N/s，以模擬實(shí)際使用過程中的受力情況。在拉脫過程中，力傳感器實(shí)時(shí)采集施加在焊點(diǎn)上的力，位移傳感器同步記錄焊點(diǎn)的位移變化。當(dāng)焊點(diǎn)與基板之間的連接被破壞，焊點(diǎn)被拉脫時(shí)，力傳感器記錄下此時(shí)的最大拉力，即拉脫載荷。對(duì)每個(gè)焊點(diǎn)樣品進(jìn)行多次拉脫試驗(yàn)，一般每個(gè)樣品測(cè)試5-10次，以減小試驗(yàn)誤差，提高數(shù)據(jù)的可靠性。對(duì)獲得的拉脫載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)參數(shù)。通過分析拉脫載荷數(shù)據(jù)，可以評(píng)估焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度。較高的拉脫載荷表明焊點(diǎn)具有較好的連接強(qiáng)度，能夠承受較大的外力作用。同時(shí)，還可以對(duì)比不同工藝參數(shù)下制備的焊點(diǎn)的拉脫載荷數(shù)據(jù)，研究焊接工藝參數(shù)對(duì)焊點(diǎn)連接強(qiáng)度的影響。例如，研究低熔點(diǎn)焊錫膏的種類、粘附量以及回流焊的溫度曲線、加熱時(shí)間等參數(shù)對(duì)拉脫載荷的影響規(guī)律。通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，可以提高焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度，從而提升CGA器件的整體性能。2.3.3納米壓痕測(cè)試納米壓痕測(cè)試是一種能夠精確測(cè)量材料微納米尺度下力學(xué)性能的先進(jìn)技術(shù)，在本研究中，采用納米壓痕儀對(duì)焊點(diǎn)的硬度和彈性模量等力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，以深入了解焊點(diǎn)不同區(qū)域的力學(xué)性能差異。納米壓痕儀主要由壓頭、加載系統(tǒng)、位移測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)等部分組成。壓頭采用具有高硬度和高耐磨性的金剛石材料制成，形狀通常為三棱錐或圓錐。在測(cè)試前，對(duì)納米壓痕儀進(jìn)行嚴(yán)格的校準(zhǔn)，確保壓頭的位置精度和加載力的準(zhǔn)確性。將制備好的焊點(diǎn)樣品固定在納米壓痕儀的樣品臺(tái)上，確保樣品表面平整且與壓頭垂直。選擇合適的測(cè)試區(qū)域，一般在焊點(diǎn)的不同部位，如焊點(diǎn)中心、界面附近以及釬料過渡區(qū)等，進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)試，以全面了解焊點(diǎn)不同區(qū)域的力學(xué)性能變化。在測(cè)試過程中，壓頭以恒定的加載速率逐漸壓入焊點(diǎn)表面，加載速率一般控制在0.05-0.1mN/s。位移測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓頭的位移變化，當(dāng)壓頭達(dá)到預(yù)定的最大壓入深度后，以相同的速率逐漸卸載。數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)記錄加載和卸載過程中的力-位移曲線。根據(jù)力-位移曲線，利用相關(guān)的理論模型和算法，可以計(jì)算出焊點(diǎn)在不同壓入深度下的硬度和彈性模量。硬度反映了材料抵抗塑性變形的能力，彈性模量則表征了材料的彈性性能。通過對(duì)焊點(diǎn)不同區(qū)域的硬度和彈性模量進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，焊點(diǎn)中心區(qū)域的硬度和彈性模量與界面附近以及釬料過渡區(qū)存在差異。這是由于在焊接過程中，不同區(qū)域的溫度分布、結(jié)晶形態(tài)以及元素?cái)U(kuò)散等因素不同，導(dǎo)致其微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能產(chǎn)生差異。例如，界面附近由于金屬間化合物的形成，硬度可能會(huì)相對(duì)較高，但彈性模量可能會(huì)有所降低。對(duì)比不同工藝參數(shù)下制備的焊點(diǎn)在相同測(cè)試區(qū)域的硬度和彈性模量數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步研究焊接工藝參數(shù)對(duì)焊點(diǎn)力學(xué)性能的影響。通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，調(diào)整焊點(diǎn)不同區(qū)域的微觀組織結(jié)構(gòu)，從而改善焊點(diǎn)的力學(xué)性能，提高CGA器件的可靠性。三、Sn58Bi/Sn37Pb/Cu柱焊點(diǎn)新植柱方法組織及性能研究3.1新植柱方法焊接條件及填縫效果3.1.1回流時(shí)間對(duì)焊點(diǎn)的影響回流時(shí)間是基于毛細(xì)填縫效應(yīng)的CGA器件焊柱成形過程中的關(guān)鍵參數(shù)之一，對(duì)低熔點(diǎn)焊錫膏的熔化、填充情況以及焊點(diǎn)質(zhì)量有著顯著的影響。在回流焊過程中，回流時(shí)間過短，低熔點(diǎn)焊錫膏無法充分熔化，釬料的流動(dòng)性較差，難以在毛細(xì)力的作用下完全填充焊柱與定位孔之間的毛細(xì)間隙。這可能導(dǎo)致焊點(diǎn)內(nèi)部存在空洞、未填充區(qū)域等缺陷，嚴(yán)重影響焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度和導(dǎo)電性。研究表明，當(dāng)回流時(shí)間不足時(shí)，焊點(diǎn)的拉脫載荷明顯降低，在實(shí)際使用過程中，容易因外力作用或電氣性能不穩(wěn)定而導(dǎo)致焊點(diǎn)失效。隨著回流時(shí)間的延長，低熔點(diǎn)焊錫膏能夠充分熔化，液態(tài)釬料在表面張力的作用下，能夠更好地潤濕焊柱及焊球定位孔表面，填充毛細(xì)間隙。適當(dāng)延長回流時(shí)間，可以使釬料與焊柱和焊盤之間的冶金反應(yīng)更加充分，促進(jìn)金屬間化合物（IMC）的形成和生長，從而增強(qiáng)焊點(diǎn)的結(jié)合強(qiáng)度。但回流時(shí)間過長，也會(huì)帶來一些負(fù)面影響。一方面，過長的回流時(shí)間會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)溫度過高，可能引起焊柱和焊盤的氧化加劇，降低焊點(diǎn)的可靠性。另一方面，長時(shí)間的高溫作用會(huì)使IMC層過度生長，變得脆性增加。根據(jù)相關(guān)研究，當(dāng)IMC層厚度超過一定閾值時(shí)，焊點(diǎn)的韌性顯著下降，在受到外力沖擊或熱循環(huán)作用時(shí)，容易發(fā)生脆性斷裂。通過實(shí)驗(yàn)研究不同回流時(shí)間下的焊點(diǎn)質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)當(dāng)回流時(shí)間在t1-t2范圍內(nèi)時(shí)，能夠獲得較好的填縫效果和焊點(diǎn)質(zhì)量。在這個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)，低熔點(diǎn)焊錫膏能夠充分熔化并填充毛細(xì)間隙，同時(shí)IMC層的生長也處于合理范圍，焊點(diǎn)的拉脫載荷較高，導(dǎo)電性和可靠性良好。因此，在基于毛細(xì)填縫效應(yīng)的CGA器件焊柱成形過程中，需要精確控制回流時(shí)間，以確保焊點(diǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性。3.1.2毛細(xì)間隙對(duì)焊點(diǎn)的影響焊柱與定位孔之間的毛細(xì)間隙大小，是影響釬料填充和焊點(diǎn)性能的重要因素。毛細(xì)間隙的變化會(huì)直接改變毛細(xì)力的大小，進(jìn)而影響釬料在間隙中的流動(dòng)和填充行為，最終對(duì)焊點(diǎn)的性能產(chǎn)生顯著作用。當(dāng)毛細(xì)間隙較小時(shí)，根據(jù)毛細(xì)作用的原理，液體在微小間隙中受到的毛細(xì)力較大。在釬料填充過程中，較大的毛細(xì)力能夠驅(qū)使液態(tài)釬料更快速、更充分地填充焊柱與定位孔之間的間隙。研究表明，較小的毛細(xì)間隙可以使釬料在較短的時(shí)間內(nèi)完成填充，且填充效果更加均勻，減少了焊點(diǎn)內(nèi)部出現(xiàn)空洞、未填充區(qū)域等缺陷的可能性。這有助于提高焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度，增強(qiáng)焊點(diǎn)的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性。通過拉伸試驗(yàn)和導(dǎo)電性測(cè)試發(fā)現(xiàn)，在毛細(xì)間隙較小的情況下，焊點(diǎn)的拉脫載荷明顯提高，電阻降低，能夠更好地滿足CGA器件在電氣性能和機(jī)械性能方面的要求。然而，毛細(xì)間隙過小也會(huì)帶來一些問題。一方面，過小的毛細(xì)間隙可能會(huì)限制液態(tài)釬料的流動(dòng)，導(dǎo)致釬料填充困難。特別是當(dāng)釬料的表面張力較大或助焊劑的性能不佳時(shí)，釬料在微小間隙中的流動(dòng)阻力增大，難以完全填充間隙，從而影響焊點(diǎn)質(zhì)量。另一方面，毛細(xì)間隙過小會(huì)增加加工難度和成本，對(duì)焊柱和定位孔的加工精度要求極高，微小的偏差都可能導(dǎo)致毛細(xì)間隙不均勻，影響釬料填充效果。當(dāng)毛細(xì)間隙較大時(shí)，毛細(xì)力相應(yīng)減小，液態(tài)釬料在間隙中的填充速度變慢，填充效果變差。較大的毛細(xì)間隙容易使釬料在填充過程中形成空洞或不連續(xù)的填充區(qū)域，降低焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度和導(dǎo)電性。在實(shí)際應(yīng)用中，這種情況下的焊點(diǎn)在承受外力或熱循環(huán)作用時(shí)，更容易出現(xiàn)開裂、脫焊等失效現(xiàn)象。研究數(shù)據(jù)表明，隨著毛細(xì)間隙的增大，焊點(diǎn)的拉脫載荷逐漸降低，電阻增大，焊點(diǎn)的可靠性明顯下降。通過一系列實(shí)驗(yàn)，確定了在本研究中，當(dāng)毛細(xì)間隙控制在d3-d4范圍內(nèi)時(shí)，能夠在保證釬料順利填充的前提下，獲得良好的焊點(diǎn)性能。此時(shí)，毛細(xì)力適中，既能確保液態(tài)釬料充分填充間隙，又能避免因毛細(xì)間隙過小帶來的加工困難和填充不暢問題。在實(shí)際的CGA器件焊柱成形過程中，需要根據(jù)具體的工藝要求和材料特性，精確控制焊柱與定位孔之間的毛細(xì)間隙，以優(yōu)化焊點(diǎn)性能，提高CGA器件的可靠性。3.2新植柱方法焊點(diǎn)顯微組織3.2.1焊點(diǎn)界面組織焊點(diǎn)界面處金屬間化合物（IMC）的形成、生長和形態(tài)對(duì)連接性能有著至關(guān)重要的影響。在基于毛細(xì)填縫效應(yīng)的CGA器件焊柱成形過程中，焊點(diǎn)界面處的IMC主要是在回流焊過程中，釬料與焊柱、焊盤之間發(fā)生冶金反應(yīng)而形成的。以Sn58Bi低熔點(diǎn)焊錫膏與Cu柱、Cu焊盤形成的焊點(diǎn)為例，在界面處會(huì)形成Cu?Sn?和Cu?Sn等IMC相。在回流焊初期，液態(tài)釬料與固態(tài)的Cu柱和Cu焊盤接觸，Sn原子迅速向Cu中擴(kuò)散，在界面處首先形成一層薄薄的Cu?Sn?相。隨著回流時(shí)間的延長和溫度的作用，Cu?Sn?相不斷生長，其生長機(jī)制主要是通過Sn原子和Cu原子在界面處的互擴(kuò)散。在這個(gè)過程中，Cu原子也會(huì)向釬料中擴(kuò)散，但擴(kuò)散速度相對(duì)較慢。當(dāng)Cu?Sn?相生長到一定程度后，在其與Cu基板之間會(huì)逐漸形成Cu?Sn相。這是因?yàn)殡S著反應(yīng)的進(jìn)行，靠近Cu基板一側(cè)的Sn原子濃度逐漸降低，使得Cu?Sn相的形成成為可能。IMC的形態(tài)在不同的焊接條件下會(huì)有所差異。在合適的回流時(shí)間和溫度條件下，Cu?Sn?相通常呈現(xiàn)出扇貝狀的形貌，這種形貌有利于增加IMC與釬料和基板之間的接觸面積，從而提高連接強(qiáng)度。而Cu?Sn相則一般呈層狀分布，位于Cu?Sn?相與Cu基板之間。但如果回流時(shí)間過長或溫度過高，IMC層會(huì)過度生長，Cu?Sn?相的扇貝狀結(jié)構(gòu)可能會(huì)變得粗大，且Cu?Sn相的厚度也會(huì)明顯增加。這種過度生長的IMC層會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)的脆性增加，因?yàn)镮MC本身的硬度較高，韌性較差。當(dāng)焊點(diǎn)受到外力作用時(shí)，粗大的IMC層容易成為裂紋的萌生和擴(kuò)展源，從而降低焊點(diǎn)的連接性能。通過掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜分析儀（EDS）對(duì)焊點(diǎn)界面進(jìn)行觀察和分析，可以清晰地看到IMC的形成、生長和分布情況。圖3-1展示了不同回流時(shí)間下焊點(diǎn)界面的SEM圖像，從圖中可以看出，隨著回流時(shí)間的增加，IMC層逐漸增厚，Cu?Sn?相的扇貝狀結(jié)構(gòu)也發(fā)生了明顯的變化。通過EDS分析，可以確定IMC層中各元素的含量和分布，進(jìn)一步了解IMC的形成和生長機(jī)制。[此處插入圖3-1：不同回流時(shí)間下焊點(diǎn)界面的SEM圖像]3.2.2釬料過渡區(qū)組織分析釬料過渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)焊點(diǎn)的性能同樣有著重要影響，其微觀結(jié)構(gòu)包括晶粒大小、分布和元素?cái)U(kuò)散情況等多個(gè)方面，這些因素與毛細(xì)填縫過程和焊接工藝參數(shù)密切相關(guān)。在毛細(xì)填縫過程中，液態(tài)釬料在表面張力和毛細(xì)力的作用下填充焊柱與定位孔之間的間隙。此時(shí)，釬料的流動(dòng)狀態(tài)和填充速度會(huì)影響其結(jié)晶過程。如果毛細(xì)填縫速度較快，釬料在凝固過程中沒有足夠的時(shí)間進(jìn)行充分的原子擴(kuò)散和重排，容易形成細(xì)小的晶粒。相反，如果毛細(xì)填縫速度較慢，原子有更多的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散，晶粒會(huì)相對(duì)較大。同時(shí)，釬料在填充過程中，由于受到焊柱和定位孔壁的影響，其溫度分布不均勻，也會(huì)導(dǎo)致晶粒大小和取向的差異。在靠近焊柱和定位孔壁的區(qū)域，由于散熱較快，晶粒會(huì)相對(duì)細(xì)小，且取向可能會(huì)受到壁面的影響而呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。通過金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察釬料過渡區(qū)的微觀組織，可以發(fā)現(xiàn)釬料的晶粒大小和分布存在明顯的不均勻性。在釬料過渡區(qū)的中心部位，晶粒相對(duì)較大，且分布較為均勻；而在靠近界面的區(qū)域，晶粒則明顯細(xì)小。利用電子背散射衍射（EBSD）技術(shù)對(duì)釬料過渡區(qū)的晶粒取向進(jìn)行分析，結(jié)果表明，晶粒取向呈現(xiàn)出一定的隨機(jī)性，但在靠近界面處，由于受到界面的約束，部分晶粒的取向會(huì)與界面呈現(xiàn)出一定的角度關(guān)系。元素?cái)U(kuò)散在釬料過渡區(qū)也起著關(guān)鍵作用。在回流焊過程中，釬料中的元素會(huì)與焊柱和焊盤表面的元素發(fā)生相互擴(kuò)散。以Sn58Bi釬料為例，Sn和Bi元素會(huì)向Cu柱和Cu焊盤中擴(kuò)散，同時(shí)Cu元素也會(huì)向釬料中擴(kuò)散。這種元素?cái)U(kuò)散會(huì)改變釬料過渡區(qū)的化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響焊點(diǎn)的性能。通過能譜分析儀對(duì)釬料過渡區(qū)的元素分布進(jìn)行線掃描分析，發(fā)現(xiàn)Sn元素在靠近Cu柱和Cu焊盤的區(qū)域濃度逐漸降低，而Cu元素的濃度則逐漸增加。這表明在回流焊過程中，Sn和Cu元素發(fā)生了明顯的相互擴(kuò)散。元素?cái)U(kuò)散還會(huì)導(dǎo)致在釬料過渡區(qū)形成一些新的相，這些新相的存在會(huì)對(duì)焊點(diǎn)的力學(xué)性能和物理性能產(chǎn)生影響。3.2.3焊點(diǎn)力學(xué)性能焊點(diǎn)的力學(xué)性能是評(píng)估CGA器件可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)之一，結(jié)合拉脫載荷試驗(yàn)和納米壓痕測(cè)試結(jié)果，可以深入分析焊點(diǎn)的力學(xué)性能與顯微組織的關(guān)系。拉脫載荷試驗(yàn)?zāi)軌蛑苯臃从澈更c(diǎn)的連接強(qiáng)度。通過對(duì)不同工藝參數(shù)下制備的焊點(diǎn)進(jìn)行拉脫載荷試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)的拉脫載荷與焊點(diǎn)界面處IMC的生長情況密切相關(guān)。在時(shí)效初期，隨著時(shí)效時(shí)間的增加，IMC層逐漸增厚，焊點(diǎn)的拉脫載荷呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)檫m量的IMC能夠增強(qiáng)焊點(diǎn)與基板之間的結(jié)合強(qiáng)度，使得拉脫載荷增加。但當(dāng)時(shí)效時(shí)間過長，IMC層過度生長，變得脆性增加，在拉脫過程中容易發(fā)生脆性斷裂，導(dǎo)致拉脫載荷下降。不同工藝參數(shù)下的焊點(diǎn)拉脫載荷數(shù)據(jù)表明，回流時(shí)間和溫度對(duì)焊點(diǎn)的拉脫載荷有著顯著影響。合適的回流時(shí)間和溫度能夠促進(jìn)IMC的合理生長，提高焊點(diǎn)的拉脫載荷。當(dāng)回流時(shí)間過短或溫度過低時(shí)，IMC生長不充分，焊點(diǎn)的結(jié)合強(qiáng)度較低，拉脫載荷也較小。納米壓痕測(cè)試則可以精確測(cè)量焊點(diǎn)不同區(qū)域的硬度和彈性模量等力學(xué)性能。對(duì)焊點(diǎn)的釬料過渡區(qū)、焊點(diǎn)中心以及界面附近等區(qū)域進(jìn)行納米壓痕測(cè)試，結(jié)果顯示，不同區(qū)域的力學(xué)性能存在明顯差異。焊點(diǎn)中心區(qū)域的硬度相對(duì)較低，彈性模量也較小，這是因?yàn)楹更c(diǎn)中心的釬料組織較為均勻，晶粒相對(duì)較大。而在界面附近，由于IMC的存在，硬度明顯增加，彈性模量也有所提高。IMC的高硬度使得界面附近的區(qū)域在受到外力作用時(shí)，抵抗變形的能力增強(qiáng)。在釬料過渡區(qū)，由于元素?cái)U(kuò)散和晶粒大小的不均勻性，力學(xué)性能也呈現(xiàn)出一定的梯度變化。從釬料過渡區(qū)的中心到界面，硬度逐漸增加，彈性模量也逐漸增大。焊點(diǎn)的力學(xué)性能還與釬料過渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。細(xì)小的晶粒和均勻的元素分布有利于提高焊點(diǎn)的韌性和抗疲勞性能。在毛細(xì)填縫過程中，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，如控制回流時(shí)間、溫度以及毛細(xì)間隙等，可以改善釬料過渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)，從而提高焊點(diǎn)的力學(xué)性能。當(dāng)毛細(xì)間隙較小時(shí)，釬料填充更加充分，晶粒更加細(xì)小，焊點(diǎn)的力學(xué)性能也更好。3.3時(shí)效對(duì)新植柱工藝焊點(diǎn)的影響3.3.1時(shí)效后焊點(diǎn)IMC層生長情況時(shí)效處理是一種通過在一定溫度下對(duì)材料進(jìn)行長時(shí)間保溫，以改變其組織結(jié)構(gòu)和性能的工藝方法。在CGA器件焊點(diǎn)中，時(shí)效處理對(duì)焊點(diǎn)組織和性能有著重要的影響。時(shí)效過程中，焊點(diǎn)界面處的金屬間化合物（IMC）層會(huì)發(fā)生顯著變化。以Sn58Bi/Sn37Pb/Cu柱焊點(diǎn)為例，在時(shí)效初期，IMC層主要由Cu?Sn?相組成，其厚度隨著時(shí)效時(shí)間的延長而逐漸增加。這是因?yàn)樵跁r(shí)效過程中，Sn原子和Cu原子在界面處不斷進(jìn)行互擴(kuò)散，使得Cu?Sn?相逐漸生長。根據(jù)相關(guān)研究，IMC層的生長動(dòng)力學(xué)符合拋物線規(guī)律，即IMC層的厚度與時(shí)效時(shí)間的平方根成正比。隨著時(shí)效時(shí)間的進(jìn)一步延長，在Cu?Sn?相靠近Cu基板的一側(cè)，會(huì)逐漸形成Cu?Sn相。這是由于隨著Sn原子不斷向Cu基板擴(kuò)散，靠近Cu基板一側(cè)的Sn原子濃度逐漸降低，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，Cu?Sn相開始形成。Cu?Sn相的生長速度相對(duì)較慢，但隨著時(shí)效時(shí)間的增加，其厚度也會(huì)逐漸增加。通過掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)不同時(shí)效時(shí)間下的焊點(diǎn)界面進(jìn)行觀察，可以清晰地看到IMC層的生長情況。圖3-2展示了時(shí)效時(shí)間分別為24h、48h、72h和96h時(shí)的焊點(diǎn)界面SEM圖像。從圖中可以明顯看出，隨著時(shí)效時(shí)間的增加，IMC層的厚度逐漸增大，且Cu?Sn?相的扇貝狀結(jié)構(gòu)變得更加粗大。利用能譜分析儀（EDS）對(duì)IMC層中的元素進(jìn)行分析，結(jié)果表明，隨著時(shí)效時(shí)間的延長，Cu元素在IMC層中的含量逐漸增加，這進(jìn)一步證實(shí)了IMC層的生長是由于Sn原子和Cu原子的互擴(kuò)散。[此處插入圖3-2：不同時(shí)效時(shí)間下的焊點(diǎn)界面SEM圖像]3.3.2時(shí)效對(duì)焊點(diǎn)顯微組織影響時(shí)效處理不僅會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)IMC層的生長，還會(huì)對(duì)焊點(diǎn)的顯微組織產(chǎn)生顯著影響。在時(shí)效過程中，釬料過渡區(qū)的晶粒尺寸和分布會(huì)發(fā)生變化。由于時(shí)效過程中的原子擴(kuò)散和重排，釬料過渡區(qū)的晶粒會(huì)逐漸長大。這是因?yàn)樵诟邷貢r(shí)效條件下，原子具有更高的活性，能夠更容易地遷移和聚集，從而導(dǎo)致晶粒的生長。晶粒長大的程度與時(shí)效時(shí)間和溫度密切相關(guān)。時(shí)效時(shí)間越長、溫度越高，晶粒長大越明顯。當(dāng)焊點(diǎn)在較高溫度下時(shí)效較長時(shí)間后，釬料過渡區(qū)的晶粒尺寸會(huì)明顯增大，甚至出現(xiàn)晶粒粗化的現(xiàn)象。時(shí)效還會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)中相結(jié)構(gòu)的改變。除了IMC層中Cu?Sn?相和Cu?Sn相的變化外，釬料本身的相結(jié)構(gòu)也可能發(fā)生變化。在Sn58Bi釬料中，時(shí)效過程可能會(huì)導(dǎo)致Bi相的析出和聚集。這是因?yàn)樵跁r(shí)效過程中，Sn和Bi原子的溶解度發(fā)生變化，使得Bi相從固溶體中析出。Bi相的析出會(huì)改變釬料的組織結(jié)構(gòu)和性能，例如，Bi相的聚集可能會(huì)導(dǎo)致釬料的韌性降低，脆性增加。通過金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡對(duì)時(shí)效后的焊點(diǎn)進(jìn)行觀察，可以清晰地看到晶粒尺寸的變化和相結(jié)構(gòu)的改變。圖3-3展示了時(shí)效前后焊點(diǎn)釬料過渡區(qū)的金相組織照片。從圖中可以看出，時(shí)效后焊點(diǎn)釬料過渡區(qū)的晶粒明顯長大，且出現(xiàn)了Bi相的析出和聚集。[此處插入圖3-3：時(shí)效前后焊點(diǎn)釬料過渡區(qū)的金相組織照片]3.3.3時(shí)效對(duì)焊點(diǎn)連接強(qiáng)度影響時(shí)效處理對(duì)焊點(diǎn)連接強(qiáng)度有著重要的影響，通過拉伸試驗(yàn)等方法可以分析時(shí)效處理對(duì)焊點(diǎn)連接強(qiáng)度的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著時(shí)效時(shí)間的增加，焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)。在時(shí)效初期，適量的IMC層生長能夠增強(qiáng)焊點(diǎn)與基板之間的結(jié)合強(qiáng)度，使得焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度提高。這是因?yàn)镮MC層的形成增加了焊點(diǎn)與基板之間的冶金結(jié)合面積，從而提高了連接強(qiáng)度。然而，當(dāng)時(shí)效時(shí)間過長時(shí)，IMC層過度生長，變得脆性增加。粗大的IMC層在受到外力作用時(shí)，容易成為裂紋的萌生和擴(kuò)展源，導(dǎo)致焊點(diǎn)的韌性下降，連接強(qiáng)度降低。當(dāng)焊點(diǎn)在高溫下時(shí)效較長時(shí)間后，焊點(diǎn)在拉伸試驗(yàn)中往往會(huì)出現(xiàn)脆性斷裂，拉脫載荷明顯降低。從微觀角度來看，時(shí)效過程中焊點(diǎn)連接強(qiáng)度的變化與IMC層的生長以及釬料過渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)改變密切相關(guān)。在時(shí)效初期，IMC層的合理生長和釬料過渡區(qū)相對(duì)均勻的微觀結(jié)構(gòu)，使得焊點(diǎn)能夠承受較大的外力。但隨著時(shí)效時(shí)間的延長，IMC層的過度生長和釬料過渡區(qū)晶粒的粗化、相結(jié)構(gòu)的改變，使得焊點(diǎn)的力學(xué)性能變差，連接強(qiáng)度降低。為了提高CGA器件焊點(diǎn)的可靠性，需要合理控制時(shí)效處理的工藝參數(shù)，避免IMC層的過度生長，優(yōu)化焊點(diǎn)的微觀結(jié)構(gòu)，從而保證焊點(diǎn)在長期使用過程中的連接強(qiáng)度和穩(wěn)定性。四、新植柱方法下Sn3.0Cu/Sn58Bi/Cu柱焊點(diǎn)組織及力學(xué)性能4.1焊點(diǎn)顯微組織4.1.1焊后界面微觀組織分析在基于毛細(xì)填縫效應(yīng)的CGA器件焊柱成形過程中，Sn3.0Cu/Sn58Bi/Cu柱焊點(diǎn)焊后界面微觀組織呈現(xiàn)出復(fù)雜而有序的結(jié)構(gòu)特征。借助掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)焊點(diǎn)界面進(jìn)行高分辨率觀察，發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)界面主要由釬料層、金屬間化合物（IMC）層以及Cu基體組成。在釬料層與Cu基體之間，形成了一層連續(xù)的IMC層。通過能譜分析儀（EDS）對(duì)IMC層進(jìn)行成分分析，確定其主要成分為Cu?Sn?和Cu?Sn。在回流焊過程中，Sn3.0Cu釬料中的Sn原子與Cu基體中的Cu原子發(fā)生相互擴(kuò)散，首先在界面處形成一層薄薄的Cu?Sn?相。隨著回流時(shí)間的延長和溫度的作用，Cu?Sn?相不斷生長，其生長機(jī)制主要是通過Sn原子和Cu原子在界面處的互擴(kuò)散。當(dāng)Cu?Sn?相生長到一定程度后，在其與Cu基體之間會(huì)逐漸形成Cu?Sn相。這是因?yàn)殡S著反應(yīng)的進(jìn)行，靠近Cu基體一側(cè)的Sn原子濃度逐漸降低，使得Cu?Sn相的形成成為可能。Cu?Sn?相通常呈現(xiàn)出扇貝狀的形貌，這種形貌有利于增加IMC與釬料和基體之間的接觸面積，從而提高連接強(qiáng)度。扇貝狀的Cu?Sn?相表面起伏不平，與釬料層和Cu基體之間形成了良好的機(jī)械咬合和冶金結(jié)合。而Cu?Sn相則一般呈層狀分布，位于Cu?Sn?相與Cu基體之間。Cu?Sn相的層狀結(jié)構(gòu)相對(duì)較為平整，其厚度相對(duì)較薄，但對(duì)焊點(diǎn)的性能同樣有著重要影響。在界面微觀組織中，還可能存在一些微觀缺陷，如孔洞、裂紋等。這些微觀缺陷的產(chǎn)生與焊接工藝參數(shù)、釬料的潤濕性以及界面處的應(yīng)力狀態(tài)等因素密切相關(guān)。當(dāng)回流溫度過高或回流時(shí)間過長時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致釬料過度熔化和流動(dòng)，從而在界面處形成孔洞。此外，由于釬料與Cu基體之間的熱膨脹系數(shù)存在差異，在焊點(diǎn)冷卻過程中會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力超過一定閾值時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致界面處出現(xiàn)裂紋。這些微觀缺陷的存在會(huì)降低焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度和可靠性，因此在焊接過程中需要嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，減少微觀缺陷的產(chǎn)生。4.1.2焊點(diǎn)微觀組織分析從整體上看，焊點(diǎn)的微觀組織呈現(xiàn)出不均勻的分布特征。在焊點(diǎn)中心區(qū)域，主要由Sn3.0Cu釬料組成，其微觀結(jié)構(gòu)為細(xì)小的等軸晶組織。這些等軸晶的尺寸較小，平均晶粒尺寸約為d5，這是由于在回流焊過程中，釬料快速冷卻凝固，使得晶粒來不及長大。細(xì)小的等軸晶組織具有較高的強(qiáng)度和韌性，能夠?yàn)楹更c(diǎn)提供良好的力學(xué)性能。在釬料過渡區(qū)，微觀組織逐漸發(fā)生變化?？拷更c(diǎn)中心的部分，仍然以等軸晶組織為主，但隨著向界面靠近，晶粒逐漸呈現(xiàn)出柱狀晶的形態(tài)。這是因?yàn)樵阝F料凝固過程中，靠近界面處的散熱速度較快，導(dǎo)致晶粒沿著散熱方向生長，形成柱狀晶。柱狀晶的生長方向與界面垂直，其尺寸逐漸增大。在釬料過渡區(qū)，還存在一些元素的偏析現(xiàn)象。Sn元素在靠近界面處的濃度相對(duì)較高，而Cu元素的濃度則相對(duì)較低。這種元素偏析現(xiàn)象是由于在回流焊過程中，Sn原子和Cu原子的擴(kuò)散速度不同所導(dǎo)致的。通過電子背散射衍射（EBSD）技術(shù)對(duì)焊點(diǎn)微觀組織的晶粒取向進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)中心區(qū)域的晶粒取向較為隨機(jī)，而在釬料過渡區(qū)和界面附近，晶粒取向呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。在釬料過渡區(qū)，柱狀晶的生長方向使得晶粒的取向呈現(xiàn)出一定的擇優(yōu)取向。在界面附近，由于受到IMC層的影響，晶粒取向也發(fā)生了一定的變化。這些晶粒取向的變化會(huì)影響焊點(diǎn)的力學(xué)性能和物理性能，例如，擇優(yōu)取向的晶粒可能會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)在某些方向上的力學(xué)性能增強(qiáng)，而在其他方向上的力學(xué)性能減弱。焊點(diǎn)微觀組織中還存在一些第二相粒子。在Sn3.0Cu釬料中，可能會(huì)存在少量的Ag?Sn和Cu?Sn?等第二相粒子。這些第二相粒子的尺寸較小，一般在納米級(jí)到微米級(jí)之間。它們的存在對(duì)焊點(diǎn)的性能有著重要影響，一方面，第二相粒子可以起到強(qiáng)化作用，提高焊點(diǎn)的強(qiáng)度和硬度；另一方面，過多的第二相粒子可能會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)的韌性下降，增加焊點(diǎn)的脆性。4.2焊點(diǎn)力學(xué)性能4.2.1焊點(diǎn)平均拉脫載荷焊點(diǎn)的平均拉脫載荷是衡量其連接可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)，直接反映了焊點(diǎn)在承受外力作用時(shí)保持連接的能力。為了準(zhǔn)確評(píng)估基于毛細(xì)填縫效應(yīng)的Sn3.0Cu/Sn58Bi/Cu柱焊點(diǎn)的平均拉脫載荷，本研究運(yùn)用專門的拉脫試驗(yàn)設(shè)備開展了一系列試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中，將帶有焊點(diǎn)的樣品穩(wěn)固地固定在拉脫試驗(yàn)設(shè)備的夾具上，保證焊點(diǎn)與夾具的連接牢固且對(duì)中，以確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。調(diào)整加載裝置，使拉力以0.5-1N/s的恒定速率緩慢且均勻地施加在焊點(diǎn)上，模擬焊點(diǎn)在實(shí)際使用過程中所承受的受力情況。在拉脫過程中，力傳感器實(shí)時(shí)、精確地采集施加在焊點(diǎn)上的力，位移傳感器同步監(jiān)測(cè)焊點(diǎn)的位移變化。當(dāng)焊點(diǎn)與基板之間的連接被徹底破壞，焊點(diǎn)被成功拉脫時(shí)，力傳感器記錄下此時(shí)的最大拉力，即拉脫載荷。對(duì)每個(gè)焊點(diǎn)樣品進(jìn)行多次拉脫試驗(yàn)，一般每個(gè)樣品測(cè)試5-10次，通過多次測(cè)量取平均值的方式，有效減小試驗(yàn)誤差，提高數(shù)據(jù)的可靠性。對(duì)獲得的拉脫載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)參數(shù)。通過對(duì)拉脫載荷數(shù)據(jù)的深入分析，可以全面評(píng)估焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度。較高的拉脫載荷表明焊點(diǎn)具有良好的連接強(qiáng)度，能夠承受較大的外力作用，在實(shí)際應(yīng)用中更加可靠。不同工藝參數(shù)下制備的焊點(diǎn)的拉脫載荷數(shù)據(jù)表明，焊接工藝參數(shù)對(duì)焊點(diǎn)的拉脫載荷有著顯著影響。低熔點(diǎn)焊錫膏的種類、粘附量以及回流焊的溫度曲線、加熱時(shí)間等參數(shù)的變化，均會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)的拉脫載荷發(fā)生改變。當(dāng)?shù)腿埸c(diǎn)焊錫膏的粘附量不足時(shí)，焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度會(huì)降低，拉脫載荷相應(yīng)減小。這是因?yàn)榈腿埸c(diǎn)焊錫膏在回流焊過程中，需要充分填充焊柱與定位孔之間的毛細(xì)間隙，形成良好的冶金結(jié)合，才能保證焊點(diǎn)的連接可靠性。粘附量不足會(huì)導(dǎo)致毛細(xì)間隙填充不充分，焊點(diǎn)內(nèi)部存在空洞或未填充區(qū)域，從而降低焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度。回流焊的溫度曲線和加熱時(shí)間也對(duì)拉脫載荷有著重要影響。合適的回流焊溫度曲線和加熱時(shí)間能夠確保低熔點(diǎn)焊錫膏充分熔化，與焊柱和焊盤之間發(fā)生充分的冶金反應(yīng)，形成均勻、致密的金屬間化合物層，從而提高焊點(diǎn)的拉脫載荷。當(dāng)回流焊溫度過高或加熱時(shí)間過長時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)過熱，金屬間化合物層過度生長，變得脆性增加，反而降低焊點(diǎn)的連接強(qiáng)度。相反，回流焊溫度過低或加熱時(shí)間過短，低熔點(diǎn)焊錫膏無法充分熔化，與焊柱和焊盤之間的冶金反應(yīng)不充分，也會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)的拉脫載荷降低。4.2.2不同毛細(xì)間隙的壓痕硬度壓痕硬度是材料抵抗塑性變形的重要指標(biāo)，對(duì)于評(píng)估焊點(diǎn)的力學(xué)性能具有關(guān)鍵意義。在本研究中，采用先進(jìn)的納米壓痕儀對(duì)不同毛細(xì)間隙下的Sn3.0Cu/Sn58Bi/Cu柱焊點(diǎn)的壓痕硬度進(jìn)行精確測(cè)試，深入探究毛細(xì)間隙與硬度之間的內(nèi)在關(guān)系。納米壓痕儀主要由高硬度的金剛石壓頭、穩(wěn)定的加載系統(tǒng)、高精度的位移測(cè)量系統(tǒng)和智能的數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)等部分組成。在測(cè)試前，對(duì)納米壓痕儀進(jìn)行嚴(yán)格、細(xì)致的校準(zhǔn)，確保壓頭的位置精度和加載力的準(zhǔn)確性，為測(cè)試結(jié)果的可靠性提供保障。將制備好的焊點(diǎn)樣品穩(wěn)固地固定在納米壓痕儀的樣品臺(tái)上，保證樣品表面平整且與壓頭垂直。在焊點(diǎn)的不同部位，如焊點(diǎn)中心、界面附近以及釬料過渡區(qū)等，選擇多個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，以全面了解焊點(diǎn)不同區(qū)域的硬度變化情況。在測(cè)試過程中，壓頭以0.05-0.1mN/s的恒定加載速率逐漸壓入焊點(diǎn)表面，位移測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)地監(jiān)測(cè)壓頭的位移變化。當(dāng)壓頭達(dá)到預(yù)定的最大壓入深度后，以相同的速率逐漸卸載。數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)詳細(xì)記錄加載和卸載過程中的力-位移曲線。根據(jù)力-位移曲線，運(yùn)用相關(guān)的理論模型和算法，精確計(jì)算出焊點(diǎn)在不同壓入深度下的硬度值。通過對(duì)不同毛細(xì)間隙下焊點(diǎn)硬度數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)隨著毛細(xì)間隙的減小，焊點(diǎn)的硬度呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)。當(dāng)毛細(xì)間隙從d6減小到d7時(shí)，焊點(diǎn)的硬度顯著提高。這是因?yàn)槊?xì)間隙較小時(shí)，液態(tài)釬料在毛細(xì)力的作用下能夠更充分地填充焊柱與定位孔之間的間隙，形成更加致密、均勻的焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，原子間的結(jié)合力更強(qiáng)，抵抗塑性變形的能力也就更強(qiáng)，從而導(dǎo)致焊點(diǎn)的硬度增加。在焊點(diǎn)的不同區(qū)域，硬度也存在明顯差異。焊點(diǎn)中心區(qū)域的硬度相對(duì)較低，而界面附近和釬料過渡區(qū)的硬度則相對(duì)較高。這是由于在焊接過程中，不同區(qū)域的溫度分布、結(jié)晶形態(tài)以及元素?cái)U(kuò)散等因素不同，導(dǎo)致其微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能產(chǎn)生差異。界面附近由于金屬間化合物的形成，原子排列更加緊密，硬度相對(duì)較高。而焊點(diǎn)中心區(qū)域的釬料組織相對(duì)較為均勻，結(jié)晶過程相對(duì)較為自由，硬度相對(duì)較低。對(duì)比不同工藝參數(shù)下制備的焊點(diǎn)在相同測(cè)試區(qū)域的硬度數(shù)據(jù)，可以進(jìn)一步研究焊接工藝參數(shù)對(duì)焊點(diǎn)硬度的影響。通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，如控制回流時(shí)間、溫度以及毛細(xì)間隙等，可以調(diào)整焊點(diǎn)不同區(qū)域的微觀組織結(jié)構(gòu)，從而改善焊點(diǎn)的硬度性能，提高CGA器件的可靠性。當(dāng)回流時(shí)間適當(dāng)延長時(shí)，焊點(diǎn)的硬度可能會(huì)有所增加，這是因?yàn)楦L的回流時(shí)間使得冶金反應(yīng)更加充分，金屬間化合物層的生長更加完善，從而增強(qiáng)了焊點(diǎn)的硬度。4.2.3焊點(diǎn)蠕變特性焊點(diǎn)在實(shí)際使用過程中，常常會(huì)受到長時(shí)間的應(yīng)力和溫度作用，其蠕變行為對(duì)CGA器件的長期可靠性有著至關(guān)重要的影響。為了深入研究基于毛細(xì)填縫效應(yīng)的