基于數值模擬的印制電路板低透錫率焊盤焊接溫度分析

王海超 施海健 丁穎潔 馬 力

（上海航天控制技術研究所，上海 201100）

文 摘 部分印制電路板通孔焊盤與接地層連接，手工焊接過程中接地層散熱嚴重，焊點透錫率不足。為解決此問題，通過ABAQUS軟件計算多層印制板手工焊接普通焊盤、低透錫率焊盤的溫度分布情況，分析整板預熱對溫度及透錫率的影響。分析結果顯示，未預熱狀態下低透錫率焊盤的鍍銅層散失熱量約為普通焊盤孔的4 倍，低透錫率焊盤孔非焊接面溫度為125～126℃，遠低于錫鉛共晶焊料熔點（183℃）；預熱85、100、115℃情況下低透錫率焊盤非焊接面溫度分別提高至171.5、179、187.5℃。模擬與實驗結果表明，整板預熱85～115℃可有效改善通孔焊盤透錫率、提高焊點服役可靠性。

0 引言

為提高電子元器件板級焊點可靠性，PCB焊點微觀組織形成、組織形貌焊料改進等方面研究已非常透徹，如通過調整錫鉛焊料成分、溫度控制、改變封裝結構等形式，IMC 層微觀組織和焊點強度均有明顯改善［1-3］。且隨著技術發展，焊點失效方式研究（如金脆斷裂［4］和熱循環失效［5-6］）也助力提高焊點壽命。

隨著航天電子產品向小型化、多功能方向發展，航天產品配電單元印制板承載大電流焊盤、電源接地層、信號地層、屏蔽地等覆銅層逐步增多，同時為提升印制板上焊盤大電流承載能力，連接焊盤的印制線覆銅層寬度及厚度也逐步增加，若PCB 上通孔焊盤（THP）與接地同層或大電流印制線相連，易導致部分金屬化過孔透錫率不足，以下稱此類焊盤為低透錫率焊盤。航天電子產品在服役過程中，電路板組件需經歷復雜的使用環境，如劇烈的震動、高低溫的沖擊等，若插裝器件裝配過程中透錫率不足，焊點易產生微裂紋或焊盤剝離現象。

數值模擬廣泛應用于焊點壽命預測、熱力耦合分析、非線性問題分析（如沖擊、貫穿、超塑性問題）。如通過模擬仿真預測不同狀態下焊點疲勞壽命并加以改進［7-8］，計算印制板受熱狀態下應力分布場，分析焊盤剝離原因。本文采用大型模擬分析軟件ABAQUS 建立模型并進行分析計算。通過建立PCB手工焊接模型，模擬普通焊盤、低透錫率焊盤手工焊接的熱傳導性能及熱流分布。

1 模型計算及實驗驗證

以某2 mm厚印制板為例進行計算，建立印制板模型，并通過更改金屬化過孔連接覆銅層大小、預定義場等方式實現低透錫率焊盤的手工焊接熱溫度場計算。

1.1 模型前處理

1.1.1 模型建立

通過ABAQUS前處理功能建立3個印制板模型。其中印制板尺寸為60 mm×40 mm×2 mm，各印制板模型中通孔焊盤直徑均為0.9 mm，接地覆銅層和印制線厚度為0.07 mm，且接地覆銅層和大電流印制線位于印制板中間層。Model a 中焊盤為普通金屬化孔（連接0.5 mm 寬印制線），Model b 通孔焊盤連接25 mm×25 mm 接地銅鍍層，Model c 通孔焊盤孔一角連接寬度為4 mm、長度35 mm 的大電流印制線。印制板焊盤及接地層、大電流印制線尺寸及分布如圖1（a）所示。其中金屬化過孔與接地層之間采用花盤方式連接，如圖1（b）所示。實際模型網格劃分見圖1（c）和圖1（d）。模型中近焊盤部位采用細網格提高此部位計算精度，遠離焊盤位置采用較粗網格，在保證焊接位置計算精度的同時提升計算效率。

圖1 模型相關尺寸Fig.1 Dimensions of models

1.1.2 熱模擬分析材料參數、邊界條件

模型中印制板基材采用FR4，鍍銅層材料主要熱物理性能參數如表1 所示［9-10］。實驗中烙鐵頭選用OK International 公司的1 系列烙鐵頭，烙鐵頭溫度365 ℃，手工焊接時間3 s。焊接結束后去除烙鐵頭截面熱源，模擬手工焊接后去除烙鐵后印制板自然冷卻的狀態。忽略焊錫流動過程，僅考慮在空焊盤狀態下普通焊盤和低透錫率焊盤加熱時溫度分布，通過適當調整材料熱傳導系數，保證計算結果與實際加焊錫手工焊接狀態下熱傳導狀態一致。

表1 印制板基材FR4、烙鐵頭和鍍銅層材料的熱物理性能Tab.1 The thermophysical properties of FR4，copper plating and soldering bit

1.2 實驗設計

針對某印制板上普通焊盤和低透錫率通孔焊盤進行測溫試驗，該低透錫率通孔焊盤連接印制板內層接地覆銅層，4個熱電偶分別位于兩種焊盤正反面金屬鍍層上，如圖2所示。測溫結果與Model a和Model b溫度場模擬結果對比分析，驗證模型正確性。

圖2 實驗過程中熱電偶貼裝位置Fig.2 Positions of thermocouples on PCB front side and reverse side

模擬計算和實測曲線對比（表2）發現，Model a和Model b 計算的正反面峰值溫度與實測溫度差值最高5 ℃。PCB 正反面峰值溫度兩者差異較小，且實測曲線和模擬計算溫度場曲線吻合較好，試驗證明了模型的準確性。

表2 計算結果和實測曲線峰值溫度對比Tab.2 The comparison of peak temperature of simulation and experiment

2 計算結果分析

首先對未預熱情況下三種模型的熱流密度和溫度場分布分析；再對模型Model b（低透錫率焊盤）分別預熱85、100、115 ℃情況下溫度分布場進行計算，分析預熱溫度對帶接地覆銅低透錫率焊盤正反面溫度的影響。

2.1 未預熱情況下各種模型的熱流密度和溫度分析

2.1.1 熱流密度結果分析

熱流密度可直觀反映焊接過程中熱量傳遞方向。手工焊接加熱過程中通過覆銅層散失的熱量Q計算公式見式（1），q為熱流密度，S為散熱通道面積，根據各模型覆銅層與金屬化孔接觸面積可知Sa（Model a）、Sb（Model b）、Sc（Model c）之間的關系見式（2），t為手工焊接加熱時間。熱流密度q=-k·T，k為傳熱系數，T為溫度梯度。

圖3為各模型焊接時間為3 s時的焊盤及相應鍍銅層上熱流密度分布云圖。各模型中徑向熱流密度沿鍍銅層方向（徑向）延伸。圖4為各模型連接鍍銅層和焊盤間的單元采樣點上軸向熱流密度隨時間分布圖。

圖3 焊接時間為3 s時采樣點熱流密度分布云圖Fig.3 Hot-flow distribution of 3 s soldering time

由式（1）和式（2），Model a、Model b、Model c中即圖4中0～3 s熱流密度與x軸間的面積，分別取該面積為Aa、Ab、Ac。從圖4中可看出Ab≈2.8·Ac≈2·Aa，手工焊接加熱過程中各模型在覆銅層上散失的熱量Qa（Model a）、Qb（Model b）和Qc（Model c）如表3所示。

在熱流密度和散熱通道面積兩方面作用下，Model b和Model c在手工焊接過程中通過覆銅散失的熱量遠大于普通焊盤，焊盤反面溫度受此影響較大。

2.1.2 溫度場結果與分析

圖5為各模型手工焊接過程中第3 s時焊接面和覆銅層的溫度分布云圖。

圖4 各模型采樣單元沿徑向和軸向熱流密度隨時間變化曲線Fig.4 The variation curves of radial and axial heat flux density in different models

表3 各模型加熱過程中散失的熱量Tab.3 Thermal loss in soldering time of Model a，Model b，and Model c

圖5 加熱第3 s時各模型焊接面和覆銅層溫度分布云圖Fig.5 Temperature distribution of PCB front side and copper plating for 3 s soldering time

焊盤焊接面Model a焊接峰值溫度高于Model b和Model c。從覆銅層的溫度分布云圖中可以看出印制板接地層和印制線層溫度分布與覆銅部位高度一致，Model a由于印制線較窄，面積較小，熱量散失通道較小，Model b接地層和Model c印制線層溫度較高，證明此處鍍銅層散熱效果明顯。

圖6為Model a、Model b、Model c模型焊盤正、反面測溫點的模擬溫度（實線）和實測溫度（虛線）隨時間的變化曲線。從圖6中可以看出Model a、Model b、Model c三種情況下焊接面測溫點位置峰值溫度分別為245、205、210 ℃，背面焊盤部位峰值溫度分別為198、125、126 ℃。對比不同模型同一位置峰值溫度變化發現，Model b、Model c正面焊盤位置比Model a峰值溫度分布降低40和35 ℃，反面焊盤位置Model b、Model c比Model a峰值溫度降低70 ℃左右。也即鍍銅層熱量散失導致Model b和Model c反面焊盤峰值溫度大幅降低，宇航元器件焊接使用Sn63Pb37焊料，熔點183 ℃，Model b和Model c焊盤反面溫度遠低于焊錫熔化溫度，焊錫流動性變差提前凝固，最終焊接透錫率不足。

圖6 Model a、Model b、Model c模型上焊接面同一位置采集點（位于焊盤邊緣）上溫度隨時間的變化曲線Fig.6 Temperature vs time curves of Model a，Model b，and Model c at same acquisition point on welding surface（at the edge of pad）

2.2 預熱溫度對溫度場分布的影響

實際焊接過程中會采用預熱方式改善焊點透錫率，預熱溫度越高，透錫率越好，但預熱溫度達到一定值，對印制板和板上元器件影響不可忽視，需設定預熱溫度上限，根據元器件和印制板預熱溫度限制，設定預熱上限115 ℃。

現對Model b 設定預熱溫度85、100、115 ℃，其他條件與Model a 一致，分析預熱情況下焊盤反面溫度分布情況。圖7 為Model b 未預熱和預熱85、100、115 ℃情況下焊盤反面溫度曲線?？梢钥闯?，預熱情況下焊盤反面溫度明顯上升，預熱85、100、115 ℃焊盤反面峰值溫度由125 ℃分別上升至171.5、179、187.5 ℃。三種情況下低透錫率焊盤反面溫度接近甚至超過Sn63Pb37焊料熔點（183 ℃）。

圖7 Model b預熱不同溫度情況下背面焊盤溫度隨時間變化曲線Fig.7 Temperature vs time curve of Model b in different preheating temperature

焊盤反面峰值溫度增加將顯著改善焊接過程中焊點透錫率。現對1.2 節中印制板（厚度2 mm，焊盤連接接地覆銅層）進行焊接實驗，使用JBC 紅外預熱臺對印制板預熱，過程中JBC 預熱臺可通過印制板面貼裝的K 型熱電偶進行溫度反饋控制。參照第1.2 節選取印制板上該DIP 封裝器件的低透錫率焊盤和旁邊的普通焊盤進行手工焊接試驗，器件引腳為扁平狀，寬度0.6 mm，采用Sn63Pb37 焊料，烙鐵選用與模型一致的OK International 公司1 系列烙鐵頭［烙鐵頭部為扁平狀，如圖1（d）所示，寬度約2 mm］，焊接時間仍為3 s，并與旁邊的普通焊盤對比。

圖8 不同情況下背面焊盤透錫率效果圖Fig.8 Pictures of low-permeability-rate solder pad at different preheating temperatures

圖8 分別為PCB 未預熱、預熱85、100、115 ℃狀態下兩個焊點透錫情況。從實際焊接透錫率來看，普通焊盤未預熱情況下焊點透錫率已達100%。而連接接地覆銅層的低透錫率焊盤在未預熱情況下焊點透錫率小于75%，不符合航天標準要求，預熱85 ℃情況下焊盤反面焊錫僅與焊盤平齊，但并未完全潤濕焊盤；預熱100 ℃情況下反面焊盤潤濕良好，模型預測峰值溫度179 ℃，雖未達到焊料熔化溫度，但在高溫液態焊料作用下實現良好潤濕；預熱115 ℃情況下焊盤反面預測溫度187.5 ℃，液態高溫流動性良好，焊料爬升高度過高。使用PCB 通孔焊盤連接接地覆銅層時，預熱溫度低于85 ℃難以達到100%透錫率，預熱115 ℃情況下焊料爬升過高，預熱100 ℃焊盤潤濕良好。此現象與各模型峰值溫度計算結果一致，預熱85 ℃情況下低透錫率焊盤背面溫度171.5 ℃較低，未達到溫度要求；

實際焊接過程中，應視PCB 厚度、鍍銅層大小、層數等具體情況對預熱溫度進行調整，建議低透錫率焊盤手工焊接預熱溫度為85～115 ℃。

3 結論

通過建立印制板手工焊接模型，模擬相同焊接狀態下連接普通印制線、接地鍍銅層、大電流印制線的焊盤正反面的溫度變化曲線及中間銅層的熱流密度分布情況，通過實驗驗證了模型及各參數設置的準確性。總結結果如下。

（1）低透錫率連接接地覆銅層和大電流寬印制線的模型焊盤背面溫度分別為125、126 ℃，普通焊盤焊接時反面焊盤最高溫度為198 ℃，鍍銅層熱量散失明顯。

（2）連接接地層焊盤和大電流印制線焊盤通過覆銅部位散失熱量約為普通焊盤的4倍。

（3）Model b 在預熱情況下反面焊盤溫度明顯升高，所用PCB預熱100 ℃時焊盤反面潤濕良好。在實際焊接過程中需考慮不同情況下的印制板布局，焊盤預熱溫度推薦85～115 ℃。

但在印制板存在多個接地鍍銅層，或同一焊盤連接兩處大電流印制線的情況下，預熱難以改善通孔焊盤透錫率，需同時進行設計和工藝優化。