|
3钎焊接头的形态
一般的结构件的钎焊接头由两部分组成：搭接部分和外圆角部分，搭接部分承担接头的主要承力功能，圆角部分并不起重要作用。而在微电子器件封装和组装的钎焊接头中，已经没有了传统意义上的搭接部分，接头主要由圆角部分组成，或者圆角部分要起主要的承力作用。此时，圆角的形状或者称为焊点形态就对接头的力学性能起着关键的作用。
由于微连接钎焊的焊点尺寸微小，采用测量方法设备昂贵、费时，可以采用计算机模拟的方法获得。钎料熔化后，在焊盘和元件引线端上润湿、铺展，达到平衡后形成一定的液面形状，然后凝固，形状被固定。如果不考虑从液态到凝固态的体积收缩(对Sn/Pb钎料约3.4%)，液体钎料的平衡形状可以看作是固态焊点的形状。而液体钎料的形状是可计算的。
图3-1 钎焊焊点的结构和焊点形状
3.1 液体形状计算方法
根据热力学基本定律，自然界中任何封闭系统的存在总符合能量最小原理。因此当熔融钎料的形态达到平衡时，由熔融钎料、焊盘和元件引线表面组成的焊点系统处于能量最小的状态，其能量描述为：
E=ES+EG
其中重力势能EG为：
式中，ρ—钎料密度；g—重力加速度；z—竖直方向坐标。而系统表面势能ES为：
式中，σ—自由液面表面张力；A0—自由液面总面积；σi—固液界面张力；n—固液界面个数；Ai—标号为i的固液界面面积。
实际上固液界面张力很难测得，但固液界面张力与液体在固体表面上的润湿角有关，系统达到平衡时，润湿角和各界面能量的关系满足Young方程，因此界面能量可以表达为：
定义等效界面张力Ti来代替界面张力σi：
式中，θi—液体在固相表面i上的润湿角。
由以上各式得系统的能量描述为：
系统能量最小化可描述为：
因为焊点处钎料量V0一般事先给定，因此体积限制条件为：
3.2 SMT焊点形态计算软件
由于焊点的结构较为复杂，以上方程的解析解很难或无法获得，方程的求解一般采用数值方法。美国Susquehanna University的Brakke等人开发的有限元计算软件Surface Evolver可用于研究三维空间中由重力、表面张力和其他形式的外力作用下的液体表面的成型问题，是进行焊点形态求解的一个有效工具。该软件利用梯度下降的办法逼近系统能量最小时的状态。它的优点在于它为用户提供了多种内部函数来求解系统中的各部分能量，可以处理复杂空间中的液面成型问题。
利用Surface Evolver求解具体的液面成型问题时，还需要用户首先根据自己的特定问题建立初始模型，然后依照软件指定的格式在数据文件中对初始模型的空间几何形态，模型各部分的能量和相应的等效体积进行详尽描述。这是一个非常烦琐的工作，也容易出错，一个用于表面组装焊点形态预测的前处理软件如图3-2所示。利用这个软件可以很容易输入各种焊点结构、材料物理性质等参数，并自动建立初始模型、数据格式文件和控制命令，实现计算过程的自动化。
首先在元件选择界面选择元件类型，然后在参数输入界面选择元件的具体型号，由元件型号软件可从数据库中提出相应的元件尺寸、元件焊端尺寸和推荐的焊盘尺寸。用户也可对其进行修改。再输入元件和焊盘的相对位置、钎料的物理性质等，就可以直接计算。如图3-3所示。计算开始后，计算过程会显示在相应的窗口中。计算结束时，焊点形态会弹出并显示结果，如图3-4。
该软件还具备焊点形态分析的功能，可以提取焊点的各个方向、各个位置的界面，进行更为详细和定量的分析，以了解焊点结构参数、钎料量等因素对焊点形状的影响，为焊盘设计、钎料量给定等工艺过程的制订提供参考。
已经对QFP、SOT、PLCC、BGA、RC片式元件以及插装件的焊点形态建立了模型并进行了计算。其结果可用于建立焊点可靠性分析的实体模型，用于QFP、BGA焊点钎料桥连过程的分析，用于焊盘的设计等。
图3-2 SMT 焊点形态计算软件元件选择界面
图3-3 焊点结构及钎料参数输入界面
图3-4 焊点形态的计算过程和计算结果
[align=right][color=#000066][此贴子已经被smta于2005-3-25 9:20:04编辑过][/color][/align]
<|||>
王春青、李明雨<|||>
<|||>
哈尔滨工业大学深圳研究生院<|||>
<|||>
2005-3-15 |
