基于ANSYS的电磁感应加热重熔BGA凸台发热机理研究

论文摘要

电子封装互连焊点的软钎焊重熔方法是球栅阵列封装(BGA, ball grid array)、芯片尺寸级封装(CSP, chip scale packaging)及倒装芯片封装(FC, flip chip)等面阵封装的关键技术之一。传统的整体加热方法通常会使得芯片和树脂基板受到较大的热作用,容易引起器件和线路板大的变形,导致互连焊点失效以及后期服役过程中可靠性差。而具有更高熔点的无铅钎料在电子制造中的应用更加剧了上述可靠性问题的影响。电磁感应加热重熔方法因其具有三维选择性快速加热等特点,能够较好的解决上述整体加热带来的可靠性问题。本课题研究的目的在于使用数值模拟的方法分析电磁感应重熔过程中的钎料凸台温度场变化特点和熔化机理,研究了凸台温度场的各种影响因子,为感应加热重熔方法的实际应用提供理论依据。本课题通过分析感应加热重熔方法的加热原理和技术特点,建立了合理的钎料凸台电磁感应重熔的有限元模型,并在模型中考虑了钎剂对温度场影响的特殊性。实际模拟了单个钎料球、焊盘和钎料凸台在感应加热过程中的温度场变化情况,并且结合实验现象,研究了钎料凸台的形成过程中钎料球的熔化过程及熔化机理。文中还进一步分析了感应加热频率、线圈电流、焊盘材料和厚度以及钎料球与焊盘表面散热情况对钎料球温度场的影响。研究表明,对单个钎料球加热时,由于钎剂的汽化从钎料球表面带走大量的热量,使得钎料球在未到达熔点之前就出现了热平衡现象,继续加热时温度不再升高。在钎料凸台的各个发热部件中,Cu焊盘的单位体积产热最多,温度最高。当钎料球自身产热和散热平衡后,Cu焊盘通过热传导的方式对底部的钎料加热,使得钎料球温度场出现底部温度高、顶部温度低的分布特点。模拟分析了在一定的工艺条件下,可以获得钎料凸台底部温度超过熔点、顶部温度低于熔点的温度场,很好的解释了实验所得到的局部重熔现象,即钎料球的底部为熔化的共晶组织、顶部为未经熔化的原始晶粒组织的金相组织结构。同时模拟结果表明,增加Cu焊盘厚度的同时增强钎料凸台表面散热可以得到更加明显的局部重熔现象,使得底部钎料熔化更充分,同时顶部仍能保持一定量的未熔化的固态钎料。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 本课题研究的目的及意义
• 1.3 国内外相关研究现状
• 1.3.1 应用概述
• 1.3.2 面封装钎料合金凸台常用重熔方法
• 1.3.3 电磁感应加热局部熔化BGA凸台技术特点
• 1.3.4 电磁感应加热数值模拟研究现状
• 1.3.5 红外测温原理与方法
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 高频感应加热设备及实验方法
• 2.1 引言
• 2.2 电磁感应加热基础
• 2.2.1 感应加热基本原理
• 2.2.2 电磁感应电流
• 2.2.3 感应电流的趋肤效应和趋肤深度
• 2.3 IGBT固态超高频感应加热器技术特点与性能指标
• 2.3.1 实验装置
• 2.3.2 高频感应加热器技术特点
• 2.3.3 性能指标
• 2.4 实验方法
• 2.5 本章小结
• 第3章 电磁感应加热有限元理论以及模型的建立
• 3.1 引言
• 3.2 电磁感应加热有限元分析的理论基础
• 3.2.1 电磁场有限元的相关理论基础
• 3.2.2 温度场有限元的理论基础
• 3.2.3 ANSYS软件中的磁热耦合分析
• 3.3 电磁感应熔化钎料凸台有限元模型的建立
• 3.3.1 线圈和钎料凸台的模型建立和网格划分
• 3.3.2 初始条件和边界条件的确立
• 3.3.3 材料物理参数
• 3.4 本章小结
• 第4章 电磁感应加热钎料凸台有限元数值模拟结果分析
• 4.1 引言
• 4.2 钎料凸台的焦耳电流分布情况
• 4.3 钎料凸台温度曲线
• 4.4 钎料焊盘体系不同部位温度特征
• 4.4.1 单个钎料球温度场数值模拟结果
• 4.4.2 Ni、Cu、Ni/Cu焊盘和钎料球温度场数值模拟结果
• 4.5 电磁感应加热钎料凸台局部重熔机理分析
• 4.5.1 钎料凸台整体的温度分布特点
• 4.5.2 钎料球的温度变化特点
• 4.5.3 局部重熔钎料球与焊盘的冶金连接
• 4.6 本章小结
• 第5章 电磁感应加热过程的影响因素
• 5.1 引言
• 5.2 感应加热设备能量输入对钎料球局部重熔的影响
• 5.2.1 感应加热设备交变频率对钎料球局部重熔的影响
• 5.2.2 感应加热设备交变电流对钎料球局部重熔的影响
• 5.3 焊盘和钎剂对钎料球局部重熔的影响
• 5.3.1 增加Cu焊盘厚度对钎料球局部重熔的影响
• 5.3.2 钎料球表面的强制冷却对钎料球局部重熔的影响
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢