再流焊加載曲線設(shè)置對(duì)溫度循環(huán)適應(yīng)性研究

劉正偉

（中國西南電子技術(shù)研究所四川成都610036）

在SMT工藝中再流焊接是核心工藝，因?yàn)橛≈齐娐钒澹≒CB，Printed Circuit Board）設(shè)計(jì)和溫度曲線的設(shè)置是否合理，最終都將以不良焊接的形式集中表現(xiàn)在焊點(diǎn)中。由于溫度曲線設(shè)置問題而導(dǎo)致的不良焊接，將在溫度循環(huán)適應(yīng)性研究中降低器件焊點(diǎn)壽命，從而影響軍事電子產(chǎn)品在服役過程中的使用壽命[1]。因此，研究再流焊溫度曲線的設(shè)置對(duì)器件在溫度循環(huán)中的適應(yīng)性顯得尤其重要。

1 再流焊仿真與分析有限元模型建立

影響PCB組件溫度分布的因素可分為內(nèi)部和外部?jī)煞N因素[2]。內(nèi)部因素包括元器件類型和尺寸、引腳類型和尺寸、芯片類型和尺寸、熱阻及熱流密度等；芯片與基板間連接方法，器件與PCB板件的連接方法以及所用材料的尺寸和熱性質(zhì)；封裝材料的尺寸和熱性質(zhì)；基板的材料和尺寸；焊膏材料的尺寸和熱性質(zhì)等。外部因素包括焊接方式、溫區(qū)設(shè)置、傳送帶速度、熱風(fēng)速度、氮?dú)鉂舛取?duì)流系數(shù)、輻射率、器件排布與表面輻射等[3-4]。因此，為了精確反映實(shí)際再流焊工藝過程對(duì)焊接組裝組件質(zhì)量的影響，必須建立其合理的熱仿真分析模型及相應(yīng)的邊界條件等。

1.1 仿真分析模型邊界條件的確立

對(duì)于再流焊工藝，其熱分析模型主要有兩種邊界條件，即對(duì)流和輻射[5-6]。

1）對(duì)流：再流焊中的邊界條件之一是對(duì)流，根據(jù)牛頓冷卻公式得：

由于再流焊加熱過程中，被加熱的PCB及其組件的模型是一個(gè)扁平板狀體，而再流焊爐內(nèi)的高度很低，大約只有35mm，再流焊在某一個(gè)溫區(qū)內(nèi)熱量的傳遞過程可以看作是熱量從爐壁的上下表面向中間的PCB組件傳熱[7]。

式（1）中的未知數(shù)是hc，本項(xiàng)目研究再流焊中的對(duì)流傳熱方式可近似看作是雙面熱氣流縱掠平板的對(duì)流傳熱[8]，因此

這樣，就可以求出hc：

本研究為選擇合理的工藝參數(shù)，所選用的氣體流速分別為μ=3 m/s，μ=4 m/s和μ=5 m/s。則根據(jù)式（5）可求出對(duì)應(yīng)速度的對(duì)流換熱系數(shù)hc。

2）輻射：再流焊中另一個(gè)邊界條件是輻射，根據(jù)熱輻射傳熱公式得：

則式（6）的特征值可以近似地認(rèn)為是，A1=A2=A；X21=1。

因此，式（6）變?yōu)椋?/p>

所以，單位面積的傳熱方程為：

在工程計(jì)算中經(jīng)常把輻射傳熱換算為對(duì)流傳熱[9]，這樣，寫成牛頓冷卻公式的形式為：

式中：hr經(jīng)過輻射轉(zhuǎn)換的對(duì)流傳熱系數(shù)（J/m2.K）。

所以：

各材質(zhì)的發(fā)射率如表1所示。

將表1中的參數(shù)和實(shí)際加載的溫度值代入式（10），可求得輻射轉(zhuǎn)化為對(duì)流的傳熱對(duì)流系數(shù)hr。

表1 各材質(zhì)的發(fā)射率

結(jié)合上面的兩種傳熱方式，令h=hc+hr，則模型邊界條件就變?yōu)椋?/p>

表2為兩中邊界條件下的熱對(duì)流系數(shù)h。

1.2 材料參數(shù)確定

材料參數(shù)的正確與否直接關(guān)系到分析結(jié)果的正確性[10]。對(duì)于混裝組件涉及到材料參數(shù)如表3、表4所示。

表2 不同熱風(fēng)速度下的熱對(duì)流系數(shù)h（J/m2.K）

1.3 PCB組件有限元模型的建立

實(shí)際的PCB組件進(jìn)行再流焊工藝過程的熱分析模擬，必須先對(duì)實(shí)際的PCB組件進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，使其成為計(jì)算機(jī)仿真模型。具有特定物理，幾何特征的焊接組件進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化是獲得最終正確仿真結(jié)果的關(guān)鍵。整個(gè)組件上具有元器件數(shù)目多、類型多、引腳（焊點(diǎn)）數(shù)多、尺寸小而密度高等特點(diǎn)，特別是焊點(diǎn)數(shù)目少則幾百個(gè)，多則成千上萬個(gè)，在進(jìn)行仿真分析時(shí)全部建立起實(shí)際模型是非常耗費(fèi)周期的，對(duì)于有限的計(jì)算機(jī)分析資源而言也是不可取的[11]。在熱分析中，元器件的接觸主要是進(jìn)行熱傳導(dǎo)，本研究采用下面的公式進(jìn)行等效處理有利于加快計(jì)算，經(jīng)過驗(yàn)證又不影響結(jié)果正確性和精度。等效處理時(shí)器件與PCB之間的絕對(duì)熱傳導(dǎo)系數(shù)，可用下面公式來表示熱傳導(dǎo)系數(shù)的大小[12]。

表3 材料基本參數(shù)

表4 材料在各溫度的比熱值J/（kg.K）

圖1為部分元器件等效示意圖和焊接組件再流焊熱仿真分析模型。

圖1 再流焊爐焊接組件有限元仿真模型

2 加載曲線設(shè)置

實(shí)際物理模型的載荷條件必須轉(zhuǎn)換成用于仿真分析載荷曲線加載到PCB組件實(shí)體模型或者有限元模型上[13]。根據(jù)研究條件，再流焊采用的是12溫區(qū)的爐子，因此運(yùn)用ANSYS分析時(shí)，將載荷-時(shí)間曲線分為載荷步，一個(gè)12個(gè)加熱溫區(qū)的載荷時(shí)間曲線如圖2所示。

圖2 載荷--時(shí)間曲線

對(duì)于每一個(gè)載荷步，定義其相應(yīng)載荷值及時(shí)間值，同時(shí)設(shè)定載荷為階躍載荷[14]。將熱空氣對(duì)PCB組件的加熱作用作為載荷步加載到PCB組件的分析模型上。

參考SJ/T 11216-1999等標(biāo)準(zhǔn)，綜合考查保溫區(qū)最后溫區(qū)間溫差、焊料再流峰值溫度、焊料液相線溫度以上時(shí)間、整板過板時(shí)間、預(yù)熱區(qū)升溫速率、冷卻區(qū)降溫速率等指標(biāo)可以得到以下結(jié)果[15]:

傳送帶速度：850 mm/min（26 s）；預(yù)熱溫度：180℃；保溫溫度：180℃；再流溫度：230～240℃；熱風(fēng)速度：5 m/s。經(jīng)分析比較，優(yōu)選參數(shù)分別為：傳送帶速度為：850 mm/min；熱風(fēng)速度為：5 m/s；試驗(yàn)溫區(qū)溫度設(shè)置如表5所示。

3 驗(yàn)證

優(yōu)化后的工藝參數(shù)轉(zhuǎn)化成加載曲線仿真得到熱分布云圖如圖3所示。

表5 優(yōu)化試驗(yàn)工藝參數(shù)組合

圖3 混裝組件TOP再流焊仿真結(jié)果

從圖3中可以看出，預(yù)熱區(qū)升溫速率在1.7℃/s左右，這與指標(biāo)相比在升溫區(qū)的1.2～2.5℃/s的范圍，冷卻區(qū)降溫速率為1.8℃/s左右，符合降溫區(qū)的＜4℃/s；保溫區(qū)溫差在8℃左右，符合指標(biāo)要求的0～10℃；再流區(qū)峰值溫度為232℃，符合指標(biāo)要求的230±5℃；＞217℃的時(shí)間約為16 s，符合＞10 s的指標(biāo)要求；＞180℃的時(shí)間約為70 s，符合要求的15～90 s；整板過板時(shí)間為312 s，符合指標(biāo)要求的不高于400 s。

由分析可知，即表5中的參數(shù)設(shè)置可以滿足相應(yīng)考察指標(biāo)的要求。

4 結(jié)論

本研究提出的再流焊加載曲線設(shè)置方法中，包括再流焊焊接工藝仿真、對(duì)組件的應(yīng)力應(yīng)變分析[16]、極差分析及對(duì)組件的熱循環(huán)可靠性分析等技術(shù)，分析再流焊工藝曲線設(shè)置對(duì)組件溫度循環(huán)可靠性的影響，其過程包含下述過程：

基于熱傳遞及熱結(jié)構(gòu)耦合[17]理論對(duì)再流焊焊接工藝進(jìn)行仿真；對(duì)熱循環(huán)模型求解并取得了可靠性最高的工藝參數(shù)最優(yōu)組合。