探索与思考

赵辰恺

2009年4月，我们小组报名参加上海市第二届大学生创新活动计划。我们的项目名称是《先进电子封装用核壳结构无铅焊球一步法制备新工艺》。这个项目与我们的PRP项目是衔接的，依旧是跟随张曙光老师做实验。

创新点主要是指制备工艺的创新以及优化。具体内容就是利用偏晶合金凝固过程中的偏析现象来一步形成核壳结构，深入研究以Cu或Al基合金为核心、Sn（含Bi、Ag、In等）合金为壳层的壳核结构的焊球的最佳金属成分配比和形成条件，最终实现核壳结构焊球的一步法制备。

实验中，最有趣的就是发现问题、解决问题。坦白的说，我们的实验做得并不顺利。在大半年的实验过程中，我们遇到了许多事先没有想到的具体问题。正是这磕磕绊绊，加深了我对做实验的认识。

立项不久，我们自行决定核壳结构的焊球选择工艺参数。而这期间，单单是实验的准备，就耗去我们不少精力。在尝试做满足工业需求尺寸的焊球——即100微米级别的直径——之前，我们先做大尺寸的球状。目的就是要保证利用偏析原理所做出的焊球，有均匀的表面光滑的核壳结构。如果大块的偏晶合金可以满足均匀化的条件，那么小尺寸必然满足这个条件。然而问题也由此而来。

首先我们要做到均匀化，也就是指在相分离之后，Bi能够尽可能的克服重力作用，均匀的铺在Al核的外表面。我查阅文献才了解到，在自由落体的情况下，Marangoni场的作用可以抵消一部分甚至是全部的重力作用。这样，密度偏大的Bi就不会集中在下端。而这一点，也在我们观察微观组织之后，得到了验证。

其次，我们需要做到表面光滑。也就是说，Al的氧化是必须避免的。在做100微米级别核壳结构的焊球时，由于处于真空状态，这个问题可以由使用Al箔而避免。但是在做大尺寸时，加热条件下Al容易发生氧化，而氧化铝的熔点高达2050摄氏度，远远超出实验设备所能达到的温度，无法形成Al-Bi合金，均匀化更是无从谈起。势必将形成表面坑坑洼洼的球状体。我们首先尝试在真空炉中先制备Al-Bi的锭子。但是内部偏析得较为严重，不得不放弃这个念头。翻阅文献之后，我们最终确定33%氯化钠+67%氟氯酸钠的混合盐作为覆盖剂，覆盖在坩埚的底部与壁上，以解决氧化的问题。那么混合盐是否会参与反应呢?我通过多次实验确定，该混合盐至少不会阻隔Al-Bi金属液，并且对试样进行成分分析，并未发现混合盐的成分。并且，Al在加热的条件下，会与透明的石英坩埚发生反应，这不仅可能导致熔化不畅，而且部分Al会流失，Al-Bi的质量比也会随之发生变化。尽管可以用石墨坩埚来代替以解决这个问题，但是另一个问题随着而来，我们怎样测温呢?于是我们准备使用一面镜子，通过折射进行测温。但这就要求在高频感应炉内部进行改造。

而另一个现实的问题就是，我们没有Al发射率的可靠数据。必须得自己去测试。一方面，我们通过热电偶测试实际温度。另一方面，我们调节发射率，使得电脑上显示的数字与实际温度相一致。

在陆续完成以上实际工作之后，我们就从合金均匀化这一块转向二元核壳结构无铅焊球制备工艺的影响因素了。

首先想到的就是过热度和保温时间。保证在相分离之前Al-Bi金属液的均匀化。我们选取50、100、150、200作为过热度的备选。对于落入试管中的试样，我们筛样、磨样、喷金、腐蚀，在显微镜下观察组织。与预测的一样，随着过热度的增加，均匀化的程度增加。

而保温时间选择5分钟、10分钟和15分钟，检测流程与测定过热度的方法一样。随着保温时间的增加，均匀化的程度增加。

然后就是对于高度的测定。通过调整砖块的厚度，改变液面与试管底部的距离。我们的设想是：距离越长，小液滴在空中的时间越长，容易形成大尺寸。实验结果也与我们的设想一致。但是，液面与试管底部的距离太短，又容易造成小液滴在空中形核不充分，没有良好的球形度。

我们一开始使用的冷却剂是饱和食盐水，但是在抽真空时，可能会被吸出。于是我们改用更为保险的硅油。同样有很好的冷却效果。当然，硅油也有其缺点; 在高频感应炉中，温度较高，每次我们完成实验，硅油已蒸发大半。用料多且不易清理内壁。如果有时间的话，我们准备再换成不影响筛样的液态金属。

对于核壳结构焊球的性能，我们也做了一下分析。我们首先做了DSC差热分析，测量焊球核壳层的熔点。然后，我们将三元核壳结构无铅焊球与Sn-Bi58焊球进行比较。在确定球形度与尺寸基本一致的情况下，将两种焊球放在同一块2厘米*2厘米的铜板上，在真空炉中进行热处理。通过比较其铺展性的差异，了解其焊接性能的差异。进而观察在剖面以及界线处，三元核壳结构无铅焊球在重熔后的变化。

我的第一个心得就是做实验之前，多想想。把整个流程在脑子里先过一遍，看看是否有什么遗漏的，疏忽的，欠考虑的。或许这样能避免事倍功半。我们在做实验时，就有好几次因事前考虑不周，而耽搁了进度。比如在切割铝片时，未考虑是否能装进石英坩埚。毕竟线圈的大小决定石英坩埚的大小，然后石英坩埚再决定铝片的直径。再如，Al是比较活泼的金属，在加热到足以于Bi发生反应以前，已经与氧发生了反应，也许还会与坩埚壁发生反应。所以需要给Al套一件“外衣”。

对于做实验的另一个心得，就是安全第一。在我们做实验的过程中，发生过不少意外。例如，我们的实验设备曾经发生过漏水与漏电的情况。漏水那次，我和学姐在实验室修了四个小时，最终还是没修好。至于漏电，只好请人来修，直接导致09年暑假的后半段我们什么也做不了。而我自己也在做实验的过程中，被碎玻璃划开了手掌。也曾经因为短路，造成过跳闸。安全第一，应该始终记在心里。等到受伤了，就来不及了。

还有一点，就是互相帮助。由于我们三个都参加考研，可供进行实验的时间有限。我们在有限的时间里，互相帮助，经常聚在一起讨论接下去实验的重点，指出有哪些地方想的还不够充分。在本次创新项目的后期，我们做实验的效率大大提高。刚开始的时候，往往一个上午只能做一组实验，而到了后期，我们一个上午可以做两到三组实验。

在本次实验中，我阅读了不少文献，对于制备核壳结构的方法有了基础的认识。也掌握了高频感应炉与相应设备的操作方法。每一个环节，我都参与了。而这堂漫长、生动的实验课教会我的不只是对于各种实验器材的操作，还有在遇到问题时勤动脑子，尝试不同的方法，在不断的尝试中，提炼高效的方法。更为重要的是，我能更全面的考虑问题，更踏实的解决问题。这也是我在这次创新项目中最大的收获。

通过本次试验，我也切实了解焊球制备工艺的优化，能够减少大量设备成本。而确保焊点在保证电路连接的基础上，不易短路是极有价值的。目前，我们获得了核壳结构良好的无铅焊球。

对于创新，最重要的是对于生活的观察与思考。正是基于这份观察与思考，才能发现问题。创新更多是思维上的创新。活的思维不拘泥于条条框框。尝试换个角度看问题，或许就能看到另一片天地。在本次创新项目中，我们利用偏析合金相分离这一特性，应用在构造核壳结构上，相比较目前的工业方法，高效省力。

我也很庆幸自己能有这个机会，深入到实验室中，接触课本上没有的东西。在张老师的指导下，学姐的帮助下，实验结果还是比较令人满意的，与预期相符。

感谢张老师孜孜教诲，感谢戴学姐倾力相助，感谢同组的杨鑫与肖超，我们能做出这个实验结果，殊为不易。