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BGA器件无铅再流焊温度场仿真
添加时间: 2010-12-22 20:48:32 文章来源: 文章作者: 点击数:4205
 
 
题    目:  
                               
学    院:    机电工程学院     
专    业:   微电子制造工程     摘 
 
尽管焊接缺陷、焊点可靠性等焊接质量仍然与焊膏印刷、贴片等前面多道工序有关,但据研究结果和生产统计表明,更多的焊接缺陷来源于再流焊工艺本身。再流焊是预先在PCB(Printed Circuit Board)板的焊接部位(焊盘)放置适量和适当形式的焊料,然后贴放表面组装元器件,经固化(在采用焊膏时)后,再利用外部热源使焊料再次流动达到焊接目的的一种成组或逐点焊接工艺。只要设置合适的再流焊设备的各区温度,几乎能完全满足各类表面组装元器件对焊接的要求,实现可靠的连接。但目前在国内还没有建立再流焊接温度场的模型,仍采用反复试验的方法制定再流焊接工艺,造成了巨大的财力和人力的浪费。因此,对再流焊温度场的仿真研究极其重要。
本文研究的是BGA器件无铅再流焊过程中的温度场仿真。用ANSYS软件,根据所用无铅钎料的性能,分析了获得良好焊点性能的再流焊温度曲线;利用传热学的理论,将再流焊中红外加热转化为对流加热,结合再流焊设备对PCAs(Printed Circuit Assemblis)加热的实际物理过程,建立了红外热风再流焊方法的传热数学模型;根据再流焊设备的尺寸,结合获得良好性能产品的再流焊焊膏熔化温度曲线的要求,根据BGA的封装,建立仿真所用的PCAs有限元模型;获得再流焊炉各区的加载温度:进一步对PCAs的再流焊接温度场进行了动态模拟,获得了PCAs整体组件的动态温度场和比较满意的再流焊工艺仿真。
通过对两种加载曲线的仿真结果的比较,获得适合无铅加载的曲线设置以及曲线的优化方法
 
关键词: 无铅;再流焊;仿真;温度场;表面组装;建模
 
 
 
 
 
Abstract
 
Although the welding defects, welding quality solder joint reliability is still with the solder paste printing, placement, etc. in front of the multi-channel processes, but according to research results and production statistics show that more of welding flaws from the reflow process itself. Reflow soldering is a solder that connect SMD or SMC with PCB by melting the solder utilize external heat sonrce make solder reflow and solidify the solder by cooling it (while adopting the soldering paste).Reliable connection of various components is attainable when the temperature section of flow oven is setup suitably.The traditional approach of experimentally analysing production defects would be costly and virtually impossible for the temperature field model is not built homeland inside.An alternative to this approach is to derive computational and numerical models to simulate the reflow soldering process.
  This study is lead-free BGA devices during reflow temperature field simulation. With ANSYS software, according to the performance of lead-free solder analysis analysis for good performance of the reflow solder temperature curve ;whit the heat transfer theory, we will go in the infrared reflow into a convection heating, combined with the reflow equipment of the PCAs (Printed Circuit Assemblis) the actual physical process of heating, the establishment of an infrared hot air reflow method of heat transfer model; according to the size of the reflow equipment, combined with performance products for good solder paste reflow melting temperature curve requirements, according to BGA packages, the establishment of simulation by the finite element model used in PCAs; access various parts of the reflow furnace load temperature: further PCAs re-flow soldering temperature field in the dynamic simulation, the dynamic component of the overall temperature of PCAs field and more satisfied with the reflow process simulation.
   By comparison of two kinds of load curves’ simulation results. The study can obtain the curve for lead-free settings, and load optimization curve.
 
Key words: Lead-free; Refolw soldering ;Simulation; temperature field; SMT; Modeling

目    录
 
 
 
 
 


绪论

1.1 无铅软钎焊研究的背景

    随着信息时代的到来,与人类生活工作密切相关的电子产品层出不穷,这些电子产品在造福人类的同时,也日益危害人类的身体健康和生活环境。例如,显像管和印刷电路板里含铅,玻璃、液晶磁盘驱动器里含汞,半导体、电池、电路板中含镉,废旧电子产品掩埋在土壤中,经渗透会对土壤造成严重污染,甚至渗入地下水危机人体健康。目前,从欧洲到日本、美国,都先后把治理“电子垃圾”作为当务之急。发达国家纷纷制定适合自己的环保政策,对其进口的电子产品实行环保限制,以降低电子设备所含有毒物质对环境的影响。我国也已经认识到了电子产品对环境的污染,.即将出台的《电子信息产品生产污染防治管理办法》也对此作了相关规定。因此,出于对环境保护和人体健康的考虑,在电子制造业中推广无铅焊接技术势在必行[13]

1.1.1 无铅钎料的种类[13]

下面介绍的合金都是有可能替代共溶SnPb合金的候选品,这些合金中很多是在原来二元系中加入微量第3种,甚至第4种元素,其目的是为了降低熔点、增加润湿性和可靠性。据研究报道,随着所加添加型元素的增加,①合金的熔点降低;②化学键强度开始快速降低,然后几乎不变,最后又开始降低;③吸湿型开始快速增加,在化学键强度保持不交的中间点所对应的化学成分处达到最大值,然后开始下降。
(1)Sn-Ag系
Sn-Ag系无铅钎料因其力学性能和抗腐蚀性能优良而受到广泛关注,该系列合金相对成熟,近年来研究集中,且部分成分的产品已经在生产中应用。二元共晶成分96.5Sn-3.5Ag,熔点较高221℃(高于Sn-Pb钎料183℃),在Cu基体上润湿性能较差。在二元共晶96.5Sn-3.5Ag中加入Bi、Cu、In等元素可降低合金熔点,改善其润湿性,其中添加Cu可以大大改善合金的综合性能。
目前,最吸引人的无铅焊料是Sn-Ag-Cu系列。在锡/银/铜合金成份中,含量约为0.5左右的铜的作用是改善强度,3%--6%的银用于改善导电性,其它元素的加入可以调节合金熔化温度,比如锌、铋可起到降低熔解温度的作用,但它会使焊接强度有所降低。Sn-Ag-Cu合金的优点主要在于合金成份简单,合金中弥散分布有微细的A93Sn相,因此可实现优良的机械性能和高温稳定性。原材料丰富,成本较低,对环境相对友好。熔点温度(217℃)虽然高于锡铅合金,但总体性能较好,所以目前美国NEMI协会、日本JEIDA协会、及欧盟建议使用Sn-Ag-Cu系列,被电子产业界所接受。

在Sn-Ag-Cu系钎料合金中,Cu的含量影响值得注意。图(1-1)为Cu的含量对焊点的剥离发生率的影响调查结果。由于Cu初始浓度的不同,发生固液共存区域变宽或变窄的现象。从图中可以看到,0.2wt%Cu时焊点的剥离发生率很高,在此之上又逐渐降低。到0.75wt%时达到最小,在此之上又重新开始增加。

图1-1 Sn-3.5Ag-Cu钎料中铜含量对剥离率发生概率的影响
国际上出现的SnAgCu系钎料合金种类很多,目前关注最多的是欧盟推荐的Sn-3.8Ag-0.7Cu,美国NEMI推荐的Sn-3.9Ag-0.6Cu,以及日本JEITA推荐的Sn-3.0Ag-0.5Cu。许多大公司及科研机构,如NEMI和IDEALS、Nokia和MultJcore公司、日本电子工业发展协会都争相开发自己的专利产品,注册无铅商标,抢占国际市场。这些无铅的专利大致可分为两类:第一类是SnAgCu,以Sn为基体三组元合金,不同之处是各自的Ag、Cu的含量配比不同;第二类是以SnAgCu为主元,在其基础上添加少量的一种或多种元素,主要包括Sb、Zn、Ni、Bi、In、P、Ge、Fe等,第二类无铅钎料实用性较差。我国是稀土大国,混合稀土价格低廉,因而针对Sn-Ag-Cu系添加混合稀土的研究是我国研究无铅钎料的主要方向。北京工业大学在这方面作了较多的工作,并且获得了有自主知识产权的国家发明专利。

(2)Sn-Zn系
Sn-Zn系无铅钎料共晶成分9lSn-9Zn,熔点为198℃。Sn-Zn系钎料中Zn的作用是降低Sn的熔点,但Zn的质量分数高于9%后,熔点重新提高。Sn-Zn系无铅钎料与Sn-Pb共晶钎料的熔点(183℃)非常接近,力学性能优良,原材料容易得到,价格便宜。缺点是在Cu基上的润湿性较差,在焊接过程中Zn极易被氧化,易于腐蚀。解决的办法发展与之匹配的焊剂以提高润湿性,在钎料中加强还原性元素如磷等,或在惰性气体等保护性气氛中进行焊接,避免钎料被氧化。添加Ag可以提高钎料的抗腐蚀性。目前在欧美等国,这Sn-Zn系焊料已经实用化,日本厂家则通过改良焊剂,在大气中钎焊,已达到不亚于Sn-Pb焊料的实装效果。今后,将进一步通过耐蚀性的评价等,提高可靠性,得以推广。
加入Bi、In等元素,还可进一步降低合金熔点,添加3%Bi的Sn-Zn合金己达到实用化,但二次返修时,会发生类似脱焊的现象。随着Bi加入,合金的固液相间隔增大,同时会使合金的脆性增大。对钎料的最佳成分组成仍需要进一步研究,在不降低浸润性的范围内,Bi含量越低越好。总之,Sn-Zn系无铅钎料离全面推广还需时日,仍为研究的重点。
(3)Sn-Bi系
该合金钎料共晶成分Sn-58Bi,熔点139℃,比Sn-Pb(183℃)钎料的熔点低,且具有更好的抗疲劳性能,适合与低温场合的焊接。但该体系目前还存在一些问题未能解决,其延展性差,抗冲击性能弱,焊点中易于形成空洞。通过添加Ag可以提高其抗伸强度和蠕变性能,添加Sn-Ag合金可减少焊点中空洞的出现,改善钎料的焊接性能。
(4)Sn-Sb系与Sn-In系
Sn-Sb系合金共晶成分Sn-5Sb熔点245℃远高于Sn-Pb钎料的熔点,限制了它的开发和应用。Sn-In系合金共晶成分为Sn-51In,熔点为120℃。Sn-In基钎料可提供较好的热疲劳性能和抗碱性腐蚀性能,强度高,在Cu基体上的润湿性能好,且蒸汽压底,能用于高真空密封焊。但因In的活性很大,且储量不多,价格很昂贵,只能被用于特殊的场合。

1.2 PCB组件概述

1.2.1PCB的结构[2]

印刷电路板(Printed circuit board),简称PCB,泛指表面和内部布置着采用印刷方式形成的有导体电路图形的绝缘基板,其基本功能是搭载电子元器件(包括屏蔽元器件)并实现其间的电气连接。由于需要承受搭载元器件时的热量和温升以及元器件的重量等,PCB对整个PCB组装件的电性能、热性能、机械强度和可靠性都起着重要作用。PCB的基板是由绝缘隔热、并不易弯曲的材质所制成。在它的表面可以看到的细小线路材料是铜箔,原本铜箔是覆盖在整个PCB板上的,而在制造过程中通过蚀刻处理,形成所需要的电子线路。这些线路被称作导线(conductor pattern)或称布线,用来提供PCB上元器件的电路连接。PCB上的绿色或是棕色,是阻焊漆(solder mask)的颜色。这层是绝缘的防护层,起到保护铜线的作用,同时可以保证钎料在PCB焊盘处的润湿,也可防止元器件被连接到不正确的地方。在阻焊层上会特别印刷上一层丝网印刷面(silk screen)。通常在这上面印上文字与符号(大多是白色的),以标示出各零件在PCB板上的位置。丝网印刷面也被称作图标面(1egend)。

1.2.2PCB的分类[1]

PCB的分类方法很多,从基板的结构看,可按导体层数、绝缘板材料的刚柔程度、导体材料、Z方向(厚度方向)的连接(立体连接)方式等分类[1]
1.按层数分类:
(1)单面板(Single-Sided Boards)
在最基本的PCB上,元器件集中在其中一面,导线则集中在另一面上。因为导线只出现在其中一面,所以就称这种PCB为单面板(Single-Sided)。由于单面板在线路设计上有许多严格的限制(因为只有一面,布线间不能交叉而必须绕独自的路径),因此只有早期的电路才使用这类的PCB板。
(2)双面板(Double—Sided Boards)
这种电路板的两面都有布线。要用上两面的导线,就必须要在两面间有适当的电路连接。这种电路间的“桥梁’’叫做导孔(via)。导孔是在PCB上沉积或涂上金属的小洞,它可以与两面的导线相连接。因为双面板的面积比单面板大了一倍,而且布线也可以互相交错(可以绕到另一面),所以适合用在比单面板更加复杂的电路上。
(3)多层板(Multi—Layer Boards)
多层板使用数片双面板,并在每层板间放进一层绝缘层后压合制成。PCB板的层数表明独立的布线层的层数,一般层数都是偶数,并且包含最外侧的两层。大部分的主机板都是4层到8层的结构,技术上可以做到约100层的PCB板。大型的超级计算机大多使用相当多层的主机板。因为这类计算机可以用许多普通计算机的集群代替,所以超多层板的用量已经渐渐萎缩了。在多层板中,如果只想连接其中的部分线路,那么导孔可能会浪费一些其它层的线路空间。埋孔(Buried vias)和盲孔(Blind vias)技术可以避免这个问题,因为它们只穿透其中几层。盲孔是将PCB的内部板层与表面相连接,不须穿透整个PCB板。由于埋孔只连接PCB的内部板层,所以从表面是看不出来的。在多层PCB中,整层都直接连接上地线与电源。将各层分类为信号层(Signal),电源层(Power)或是地线层(Ground)。如果PCB上的元器件需要不同的电源供应,这类PCB则会有两层以上的电源与地线层。
2.按基板的绝缘材料分类:有机系(树脂系)、无机系(陶瓷系、金属系)及复合系。
(1)纸基板有机系:纸酚醛树脂覆铜板(FR-1、FR-2)、纸环氧树脂覆铜板(FR-3)等。
(2)玻璃布基板:玻璃布环氧树脂覆铜板(FR-4、GIO)、玻璃布耐高温环氧树脂覆铜板(FR-5、G11)等。
(3)复合材料基板:环氧树脂覆铜板(CEM-1)、聚酯树脂覆铜板(CRM-7、CRM-8)等。
(4)耐热性塑性基板:聚醚酮树脂基板、聚醚酰亚胺树脂基板等。
(5)挠性基板:聚酯覆铜膜基板、玻璃布--环氧树脂覆铜积层板等。
(6)积层多层板基板:感光性树脂(液态、干膜)、热固性树脂(液态、干膜)等。
(7)金属类基板无机系分为:金属基型、金属芯型和包覆金属型等。
(8)陶瓷类基板:氧化铝基板(A1203)、碳化硅基板(SIC)等。
(9)其他基板:玻璃基板(用于LCD、PDP显示器等)、硅基板和金刚石基板。

1.3 BGA的概述


目前出现的BGA 封装按基板的种类主要分为PBGA:塑料封装的BGA,CBGA:陶瓷封BGA和TBGA:载带状封装的BGA 。其中使用最为普遍的是PBGA,PBGA封装的优点如下:和环氧树脂电路板的热匹配性好;对焊球的共面性要求宽松,原因是焊球参与再流焊时的焊点的形成;安放时,可以通过封装体的边缘对准;成本较低;电性能良好。PBGA的载体是普通的印制板基材,如FR-4、BT树脂等,所以在组装件中PCB和PBGA载体的热膨胀系数近乎相同,因此在回流焊过程中,对焊点几乎不产生应力,对焊点的可靠性影响也较小。硅片通过金属丝压焊方式连接到载体的上表面,然后用塑模压成形,在载体的下表面连接有共晶或准共晶Sn、Pb合金(63Sn-37Pb和10Sn-90Pb两种)的焊球阵列,焊球和封装体的连接不需要另外的焊料,焊球阵列在器件底面上可以呈完全分布和部分分布(图1-2所示) [1]

图1-2 Ful  Matrix and Perimeter PBGA
 


PBGA 焊球成分一般为Sn63Pb37 Sn62Pb36Ag2和Sn96.5Ag3.0Cu0.5 等合金焊球间距一般有1.50、1.27、1.0 、0.8、0.5 mm 焊球直径可根据不同应用对焊球间距要求的不同在0.75~0.30 mm 之间变化对于间距越小的BGA 其封装密度越高对于BGA 组装的工艺要求越高
CBGA 的互连由Sn10Pb90 高温焊球和把该焊球通过Sn63Pb37 Sn62Pb36Ag2 和Sn96.5Ag3.0Cu0.5等低熔点焊料焊接到基板上完成的焊球数组的间距为1.27 mm 时所用的焊球直径为0.89 mm 间距为1.0mm 时所用的焊球直径为0.64 mm CBGA 封装的主要优点包括:
1、 封装组件的可靠性高性能优良。
2、 共面性好易于焊接。
3、 对湿气不敏感存储时间长。
4、 电气性能良好。
5、 封装密度高。
CBGA存在的主要缺点是与PCB 的热膨胀系数CTE不匹配,易造成热疲劳失效,因此热可靠性差,而且封装体边缘与PCB 焊盘对准困难封装成本较高。
TBGA 是用铜/聚酰亚胺载带作基板实现芯片与焊料球和PCB 连接的一种封装形式TBGA 封装具以下特点
1、和环氧树脂电路板的热匹配性好。
2、可通过封装体边缘与PCB 焊盘对准。
3、对湿度和热敏感不同材料的多元聚合对可靠性产生不利影响。

1.4 再流焊接建模与仿真的意义

电子电路表面组装技术(SMT)为电子产品尤其是军用电子装备的进一步微型化、薄型化和轻量化开辟了广阔的前景,对国民经济的发展和军事电子装备的现代化正在起着巨大的推动作用。SMT在近年获得了飞速的发展和应用,并正在向着更高密度、超微型化方向发展[13]
由于SMT元器件及其封装向着高度集成化、高性能化、多引线、多元化和窄间距化方向发展,如BGA、CSP、FC、MCM、u BGA等封装形式,因此对组装技术都提出了更高的要求,可行的组装工艺范围越来越窄,特别是对组装关键工艺之一的再流焊焊接工艺提出了严格的要求。如何使所有的焊接接点形成可靠的电气与机械连接,同时又不造成越来越小、越来越薄的印刷电路板(PCB)承受过大的变形以及不至于越来越小、集成度越来越高的元器件承受过热而损坏,都是亟待解决的问题[13
再流焊常见的工艺缺陷有焊料球的产生和“立碑”现象以及桥接等。引起再流焊缺陷甚至整个组件失效的最主要的原因是再流焊工艺的温度曲线。再流焊工艺的关键是如何正确设定再流焊温度曲线。传统的工艺制定方法是经反复试验、反复调整来确定再流焊焊接温度蓝线。该方法已越来越不能适应要求,甚至很难完成温度曲线的设置。这种方法不仅会造成巨大的人力、物力的浪费,而且试验周期长,不能适应当前电子产品更新速度快、竞争日益激烈的需求。因此,建立再流焊接的数学模型及其工艺优化预测模型,对于预测焊接结果,实现再流焊接工艺参数预选和优化,减少工艺试验次数,甚至控制再流焊接过程,防止出现焊接缺陷都具有十分重要的意义[13]
 
 

1.5 研究发展现状

1.5.1国外研究发展现状[4]

目前国外对再流焊焊接工艺的建模、仿真、预测与控制研究主要有两种方法:一是以F.Sarvar研究的预测系统具有一定的代表性,他是在分析加热机理的基础上,建立包括焊接炉结构、元器件类型与材料、传热方式等相关内容在内的再流焊工艺模型,并以此为基础的仿真、预测和控制的研究;二是Intel公司的研究为代表,基于统计过程控制(SPC:Statistical Process Control原理,设计数掘采集记录自动分析仪,并以此为基础建立再流焊工艺控制与预测[3]
(1) 基于热分析的再流焊工艺仿真模型
该方法是在分析再流焊加热机理的基础上,探讨红外加热、对流加热两种热传递形式,建立再流焊加热过程的热模型及相关的焊接炉、PCB板与元器件的几何结构与材料模型,运用数值分析方法(如有限元方法),实现再流焊焊接工艺的仿真与预测。比较有代表性的就是ESarvar和EConway建立的Loughborough模型系统,该模型系统运用了SDRC I-DEAS Master系列有限元包,包括自U后处理,和MaYa热传输技术TMG热模型发生器有限微分方法,自动模型结构和分析结论的后处理,TMG自动把有限元模型转化成有限微分表示。TMG也可以运用复杂技术促进模型解决,例如工艺设置的有效表述以及提供方式来定义分析参数。根据传热方式对炉子进行了建模,例如红外热风炉,其内部传热方式有对流,辐射和传导等。对PCB以及元件的建模重点是对关键材料特性进行了确定,比如热容,发散率,热导率,密度等,分析显示热容是最具影响力的参数。物理建模方面,PCB被描述成合适网格密度的壳结构。
①再流焊炉的仿真。再流焊加热方式是非常复杂的,主要有对流、辐射、传导等形式,以及在不同的形式下,不同环境或工艺参数对其加热效果的影响。通过对再流焊炉进行仿真,重点探讨各种传热方式与相关工艺参数之问的关系(如气流速率、传送带的速率等对热效应的影响),建立再流焊炉的仿真模型[4]
②对再流焊炉和PCAs的几何形状的仿真。再流焊炉、PCB板、元器件结构是复杂多样的。再流焊炉膛内的三维结构和各个温区的长度对PCB板及其待贴装的元器件的加热有很大的影响,并直接关系到加热方式对再流焊工艺的影响。PCB板的外型尺寸对再流焊工艺也有重大影响,尤其是在传输带上从一个加热区向另一个加热区过渡时温度场的变化,对PCB板变形的影响。元器件的尺寸对加热方式的影响很大。如果某一元器件较高,其由红外加热所获得热量和其对周边元器件的受热的影响都很大。在PCAs的几何形状仿真中对于小元器件如小电容、小电阻用一个节点来表示(ID):对于外型是长窄型的元器件(如小晶体管)用一段线形或一长方形来表示(2D);对于体型大而且结构复杂的元器件用立方盒体来表示(3D)。基于以上分析,用仿真软件建立焊接炉结构、不同的PCB结构以及元器件外型结构的模型来分析对热效应的影响,并建立相应的结构模型[4]
③对材料特性和表面特性的仿真。PCB板、元器件的材料是复杂的,包括有机物、金属和陶瓷等材料。由于PCB板、元器件又都包含多种材科,而不同的材料具有不同的热特性;即使是同一材料,其比热值与温度之间也呈现非线性关系。这些主要的热特性参数包括热容量、密度、发射率以及热导率等,因此在建立模型时,应建立相应的材料特性库。表面特性与热传导是息息相关的一个特性.其外面的颜色、光洁度等等对红外和热风加热的影响很大。根据传热学的褶关理论建立响应的数学模型。
上述系统从ECAD中读取文件,并分别依据设计文件与所用的焊接设备.从元器件库与再流焊炉库中选取相应的元件与再流焊炉,同时输入相应的材料特性,形成组装几何模型;然后输入设计温度曲线,在定义分析参数的情况下进行再流焊工艺的仿真与分析,并通过后置分析评价,给出相应的处理意见,重新输入仿真系统,直到得到理想的仿真结果为止。这样就完成焊接温度曲线的设置。其工艺仿真模型系统框图1.2所示。

有关再流焊焊接工艺计算机仿真与预测系统的研究可参见 L Beaadoin(1991年)、D C Whalley(1991年)、G Habnicht(1993年)、J A Free(1995年)、F Sarvar(1995、1996、1998年)等的研究工作[11]

图1-3 SMT再流焊接工艺仿真模型系统图
 


(2)基于SPC的再流焊控制与预测系统
设计数据采集记录自动分析系统,并以此为基础建立再流焊工艺模型,该方法的思路是设计一温度采集系统,分别在空载和负载条件下,通过多组正交实验,采集在不同的工艺环境下(如是否充N2,N2速率)的数据,形成实际的温度曲线。运用数理统计的方法,对比分析在不同的工艺环境下实际的温度曲线与设计曲线之间的关系,从而得出设计温度曲线与实际温度曲线,以及各工艺环境参数与实际温度曲线之间的关系。一方面,该系统可作为再流焊的在线监测与控制系统;另一方面,可以独立于再流焊炉,进行再流焊焊接温度曲线的预测与设定。如Intel公司在进行该方面的研究。该方面的研究可参见DudiAmir(1 998年),Simon J Arbib(1 999年)的研究工作。
虽然以上两种仿真方法还存在着许多缺陷,但对SMT再流焊工艺的制定发展起到了巨大的推动作用。

1.5.2国内研究发展现状[4]

目前国内制定再流焊工艺,主要是通过反复试验的方法来获得的。对再流焊工艺的仿真研究也只是限于再流焊工艺的某一方面。
(1)元器件的建模与仿真
主要有西安交通大学的杜磊等人根据无耦合拟静态热弹性力学理论,采用有限元分析技术,结合SMT的主要焊装工艺——再流焊过程,分析了典型的表面组装结构(片式多层陶瓷电容器——印制电路板结构)在制造过程中的热传输特性与热应力,给出了各温度区段、典型结构中温度与应力场分布,从而了解了此过程中变形和裂纹的潜在发生区域和可能性,有利于表面组装的质量控制与可靠性的提高。
(2)焊点形态建模与仿真
桂林电子工业学院的黄春跃、周德俭对细微间距器件焊点形态成形进行了建模与预测,利用液态钎料润湿理论、最小能量原理等焊点形态相关理论和方法,在已知钎科量、钎料性质和接触角等焊点形态参数情况下,采用SurfaceEvolver交互式软件基于最小能量原理建立了在表面势能、重力势能和外力势能作用下的QFP焊点三维形态成形模型,对QFP焊点形态主要参数进行了预测;运用建立的QFP焊点三维形态成形模型,分析了相关因素(钎料量、间隙高度、重力、引脚位移)对QFP焊点三维形态的影响,得出了钎料量、间隙高度、引脚位移是影响四焊点三维形态的关键因素;指出了重力对四焊点三维形态影响微弱,可以忽略,钎料量的多少是桥接缺陷出现与否的关键因素,控制钎料量是避免该缺陷产生的有效途径,利用所建立的QFP器件焊点形态成形模型可以对钎料量的控制进行实际指导,以避免桥接缺陷的出现和引脚与焊盘间隙高度发生变化。
此外天津大学也在利用有限元法对PCB组件在再流焊过程中的模拟和仿真领域中做出了不少贡献。在韩国明副教授的指导下,天津大学的毛信龙利用有限元法对PCB组件在再流焊过程中加热产生的温度场和应力场建立了数学模型;并通过ANSYS软件对PCB组件在底面对角两点加约束、底面四顶点加约束和底面两对边加约束的三种不同固定情况下的再流焊过程进行模拟和仿真,得出了不同约束条件下的温度场及应力场分布;天津大学的赵键也通过采用复合材料力学中的层合板基本理论,对PCB板的热应变和热应力进行了分析,建立了在某一约束条件下的层合板翘曲数学模型:并利用有限元法建立了PCB组件在再流焊过程中的温度场和热变形的数学模型;再利用有限元ANSYS软件对PCB组件在整个红外再流焊炉中的焊接过程建立了实体模型,进行了PCB组件再流焊全过程的三维动态模拟和仿真。

1.6 本课题研究的内容

到目前为止,人们对再流焊进行了大量的研究,而且研究多以二维模型为主,对于三维模型的研究还很少。,虽然都取得了较为完善的研究结论,但在实际应用中还存在一定的局限性,而且研究多以SnPb钎料为主,对于无铅钎料的研究相对较少。随着,人们环保意识的逐渐加强,电子产品已经全面进入无铅焊接的时代,因此本文将利用ANSYS软件对BGA器件进行合理的三维建模,根据材料属性(包括导热系数,密度,比热等)随着温度的变化而变化,这将大大提高仿真的准确性,更贴近实际生产环境,为了使研究工作紧密联系再流焊过程的实际,本文将就再流焊过程进行模拟仿真研究。本文将主要研究以下内容。
l、本文通过对再流焊接工艺参数(传输带速度、热风流速、各个炉区功能设置及其温度设定)和焊膏的熔化温度曲线的关系展开研究,建立仿真板的传热过程的数学模型。
2、通过简化处理对PCB板、焊膏和BGA进行建模。
3、无铅钎料再流焊工艺温度曲线(峰值为平台和尖峰曲线)的设置,不同温度的温区设置而导致BGA器件上上温度场分布的不同状况,从而确定合适的温度曲线;
4、利用建立的仿真模型讨论和分析各个参数对焊膏熔化曲线的影响,并用此模型能对再流焊接参数进行优化和预测再流焊的焊接结果。
5、建立三维有限元模型,基于ANSYS平台,利用APDL语言在PC机上进行曲线加载,模拟BGA器件再流焊接的温度场。
 
 
 
 
 
 
 
2  再流焊设备及工艺要求

2.1再流焊热源

2.1.1再流焊热源类型与主要特点[2]

再流焊有多种加热方法,主要有辐射性热传递(红外线)、对流性热传递(热风、气相)、热传导方式(热板传导)和激光加热四种。这些方法各有其优缺点,在表面组装技术中应根据实际情况灵活选择使用。
红外线、气相(汽化潜热)、热风循环和热板等加热方法都属于SMT的整体加热方式;加热工具(如热棒)、激光等加热方法属局部加热方式。SMT的整体加热可以使贴装在PCB板上的元器件同时成组焊接,生产效率高。但是,PCB和元器件不需要焊接的部位也同时被加热,有产生热应力的危险,可能造成PCB板的可靠性问题。局部加热方式只选择必要的部位进行加热,而不焊接的其它元器件和非焊接部位不被加热,避免了产生热应力的危险性,但产量低口“。再流焊主要的加热方法及其优缺点列于表2-1[12]
表2-1再流焊主要加热方法及其优缺点
加热方式
原理
优点
缺点
红外
吸收红外线
热辐射加热
 
1.连续,同时成组焊接
2.加热效果好,温度可调范围宽
3.减少了焊料飞溅、虚焊及桥焊
材料不同,热吸收不同,温度控制困难
气相
利用惰性气
体的蒸气凝
聚时放出的
气体潜热加
1.  加热均匀,热冲击小
2.  加热快
3.  温度控制准确
4.同时成组焊接
5.可在无氧环境下焊接
1.设备和介质费用高
2.容易出现吊桥和芯吸现象
热风
高温加热的气体在炉内循环加热
1.    加热均匀
2.    温度易控制
1.    易产生氧化
2.    运动的气体可能使器件产生偏移
激光
利用激光的热能加热
1.集光性好,适合高精度焊接
2.非接触加热
3.用光纤传送
1.C02激光在焊接表面上反射率大
2.设备昂贵
热板
利用热板的热传到加热
1.  由于基板的热传导可缓解急剧的热冲击
2.  .设备结构简单、价格便宜
1.  受基板的热传导的性影响
2.  不适合于大型基板、大的元器件
3.  温度分布不均匀

2.1.2 红外加热风再流焊原理


在模拟仿真中再流焊热源为红外加热风的方式,下面主要介绍红外加热风的再流焊设备[11]

图2-1 红外线波长分布
利用红外线加热的再流焊接技术现在己逐渐成为SMT中的主要焊接技术。红外线是一种电磁波,其波长在可见光波上限(0.7-0.8μm)到毫米波之间,如图2.1.所示。

波长从0.75~2.7 m之间为近红外线,大于2.7 m波长的叫远红外线。电子装联焊接加热采用的波长范围为1~5 m。红外辐射能量的大小与热源的绝对温度有关,根据斯忒藩一波尔兹曼定律,热源的辐射能力与热源的绝对温度的4次方成正比。红外发射的波长也与热源温度有关,根据维恩位移定律,热源温度越高,其峰值波长越短,反之亦然。因此温度是决定辐射能量大小和波谱的关键参数。
辐射到物体上的红外能量可以被吸收、反射或透射。被反射和透射的能量在物体上不产生热效应;被吸收的能量将在物体内部产生热效应,热效应的大小取决于热源和受热物体及其热特性。如果能量深入物体内部,就可以产生有利的热效应。因为能量可达到物体的一定深度,使受热更均匀,减少受热物体的热效应。表2.2给出了不同波长对PCAs各材料的加热效应[12]
表2-2不同波长对PCAs各材料的加热效应
材料
波长2.7μm
波长1.15μm
玻璃-环氧(FR-4)
吸收的
半透明的
聚酰亚胺-玻璃
吸收的
半透明的
阳极化或氧化的金属
(Al,Cu,Ni,Sb,Sn)
吸收的
吸收的
抛光的金属
(Al,Cu,Ni,Sb,Sn,Au)
反射的
反射的
陶瓷(Al2O3,SiO2
 
半透明至吸收的
半透明至吸收的
黑色塑料元件封装
吸收的
吸收的
 
辐射到物体上的红外线能量的上述效应的大小和物体的性质、表面状态、温度和红外线的波长有关。

2.1.3 红外线辐射加热风再流焊设备


红外线辐射加热法一般采用隧道加热炉,热源以红外线辐射为主,适用于流水线大批量生产。由于设备成本较低,是较普遍的再流焊方法。红外线有远红外线和近红外线两种。一般前者多用于预热,后者多用于再流加热。整个加热炉分成几段温区分别进行温度控制,如图2-2所示[11]

图2-2 红外再流焊接示意图
 


红外再流焊也存在一些缺点,如元器件的形状和表面颜色不同对红外线吸收系数不同,因荫屏效应和散热效应的产生,会导致被焊件受热不均匀,甚至造成元器件受热损坏。为了克服红外再流焊的缺点,发展了红外再流焊和热风再流焊结合的方式如图2-3所示,红外加热风对流再流焊是利用红外加热器与风扇,使炉膛内气体不断加热并进行对流循环。炉中虽然有部分热量辐射和传导,但主要的传热方法是对流。它有加热均匀、温度稳定的特点,消除了热板传导与红外线辐射两种方法的缺点。再流区内还可以分成若干个温区,分别进行温度控制,以获得合适的温度曲线,必要时可向炉中充氮气,以减少焊接过程中的氧化作用。

图2-3 红外热风再流示意图

热风再流焊是以强制循环流动的热空气或热氮气来加热的再流焊方式,热风红外再流焊是按一定热量比例和空间分布,同时混合采用红外辐射和热风循环对流加热的方式,也称为热风对流红外辐射再流焊。

该方法具有更多的优点:焊接温度——时间曲线的可调性大大增强,缩小了设定的温度曲线与实际控制温度之间的温度差异,使再流焊能有效地按设定的温度曲线进行;温度均匀、稳定,克服吸热差异及荫屏效应等不良现象。基板表面和元器件之间温差小,不同的元器件都可在均匀的温度下进行再流焊;可用于高密度组装;具有很高的生产能力和较低的操作成本。为此,热风红外再流焊是SMT大批量生产中的主要焊接方法。

2.2 无铅钎料的选择及其特性

2.2.1选择背景[12]

在电子工业中的应用各种不同成分配比的Sn.Pb钎料已经长达50多年的历史,已形成非常成熟的工艺。相对于其他金属合金,Sn-Pb钎料价格合理,焊接性能优良,熔点低,微观组织细密,高抗拉强度、展延性;同时该钎料具有优良的电性能、力学性能和热性能,如高的导电率、优良抗热疲劳性能、焊点的完整性和高的导热率等。所有的这些特性使得共晶或合金共晶的Sn-Pb焊料很好得适应了电子工业的应用需求,从传统的插装钎焊到表面嵌装技术以及高级电子封装得到广泛的应用[1]
然而,铅(Pb)是一种有毒的金属,对人体有害,并且对自然环境有很大的破坏性。19世纪初,在美国和法国等地,油漆染料工人中有被诊断为铅中毒。至此以后,在全世界范围内逐渐禁止铅的使用。由于环境保护的要求,特别1S014000的导入,世界大多数国家开始禁止在焊接材料中使用含铅成分,即要求无铅焊接。目前国际上逐渐立法禁止用铅,电子工业组装的焊接与电路板的电镀锡铅及热喷锡都将在无铅政策下有所改变。
1990年初,美国最早提出焊料无铅化法案,1993年末获得国会的通过。以此为契机,在世界范围内,无铅化在电子行业的推广进程大大加快。2002年由日美欧等在东京召开的一次会议上,JEITA、IPC、Soldcrtec、IDSALS、和Nemi等团体代表讨论了全球无铅焊料技术的发展,提议在全球推广有关立法事项。
欧盟《关于废旧电子电器产品的指令》(Directive on Waste Electrical and Electronic Equipment)和《关于电子电器产品限制使用某些有害物质的令》(Directive on Restrictive of Use Of Certain Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment)的两个指令正式生效,即自2006年7月1日起在欧洲市场上销售的电力电子产品必须为无铅产品。日本所有的大型消费类电子产品公司都在大量生产无铅电子产品,松下公司早在1998年就推出了无铅微型CD播放机,市场份额增长显著。日本的“废弃物处理及清除”及“水质污染防止法”的相关法律,对铅也有相当严格的管理标准,于2003年普遍实施,并在2004年禁止生产或销售使用有铅材料焊接的电子生产设备。据日本电子信息技术产业协会(JElTA)日前发表的有关无铅焊锡的使用状况及前景调查报告显示:受欧洲欧盟的两个指令(WEEE,ROHS)的影响,大部分日本制造商将在2005年内全面实现无铅生产。
我国《电子信息产品污染防治管理办法》将很快出台‘Jo管理办法(初稿)规定电子信息产品的设计应当考虑其对环境和人类健康的影响,应选择无毒、无害、易于降解和便于回收利用的方案。生产者应当采取措施逐步减少并淘汰电子信息产品中铅、汞、镉、六价铬、聚合溴化联苯(PBB)、聚合溴化联苯乙醚(PBDE)及其他有毒有害物质的含量。作为应对该指令的措施,我国出台这项管理办法,其禁铅时间表有可能与欧盟同步,也就是说我国将在2006年7月1日起实行投放市场的国家重点监管目录内的电子信息产品不能含有上述6种有害物质。
无铅钎料在微电子行业表面组装技术领域中的应用已经是不可回避。无铅化的进程是不会停止的,而且在激烈的市场竞争中电子产品无铅化将会按照预定要求的日程加速走下去。中国电子电气行业企业将无论如何避不开无铅化这道门槛。如果国内企业还没有意识到这一问题的严重性,那么无铅化对国内企业及其产品带来的冲击是,出口产品难以走出国门,而进口产品的国产化率将大大降低。或者出门后等待的将是高额环境税的征收。

2.2.2选择的原则[12]

无铅钎料选择的原则有以下几点。
(1)      熔点液相温度应低于回流焊温度250℃。对现有许多回流焊炉而言,该温度是实用温度的极限值。许多工程师要求最高回流焊温度应低于225""230℃,人们普遍认为合金回流焊温度越接近220"C效果越好,能避免出现较高回流焊温度是最理想不过的,因为这样能使元件的受损程度降到最低,最大限度减小对特殊元件的要求,同时还能将电路板变色和发生翘曲的程度降到最低,并避免焊盘和导线过度氧化。
(2)      导电性好这是电子连接的基本要求。
(3)      导热性好为了能散发热能,合金必须具备快速传热能力。
(4)      较小固液共存温度范围非共晶合金会在介于液相温度和固相温度之间的某一温度范围内凝固,大多数冶金专家建议将此温度范围控制在10℃以内,以便形成良好的焊点,减少缺陷。如果合金凝固温度范围较宽,则有可能会发生焊点开裂,使设备过早损坏。
(5)      低毒性合金及其成分必须无毒,所以此项要求将镉、铊和汞排除在考虑范围之外;有些人也要求不能采用有毒物质所提炼的副产品,因而又将铋排除在外,因为铋主要来源于铅提炼的副产品。
(6)      具有良好的可焊性在现有设备和免清洗型助焊剂条件下该合金应具备充分的润湿度,能够与常规免清洗焊剂一起使用。
(7)      良好的物理特性(强度、拉伸度、疲劳度等) 合金必须能够提供63Sn37Pb所能达到的机械强度和可靠性,而且不会在通孔器件上出现突起的角焊缝(特别是对固液共存温度范围较大的合金) 。
(8)      生产可重复性、熔点一致性电子封装工艺是一种大批量制造工艺,要求其重复性和一致性都保持较高的水平,如果某些合金的成分不能在大批量条件下重复制造,或者其熔点在批量生产时由于成分变化而发生较大变化,便不能给予考虑。
(9)      焊点外观焊点的外观应与锡、铅焊料接近,虽然这并非技术性要求,但却是接受和实施替代方案的实际需要。.
(10)  供货能力考虑材料是否有充足的供货能力。如铟是一种相当特别的材料,如果
考虑全球范围内铟的供货能力,人们很快就会将它彻底排除在考虑范围之外,然而从技术上考虑却可行。
另外业界可能更青睐标准合金系统而不愿选专用系统,标准合金的获取渠道比较宽,这样价格会比较有竞争性,而专用合金的供应渠道则可能受到限制,因此材料价格会大幅提高。

2.3再流焊温度曲线

依据目前大量的研究与生产情况看,尽管焊接缺陷、焊点可靠性等焊接质量仍然与焊膏印刷、贴片等前面多道工序有关,但更多的焊接缺陷来源于再流焊工艺本身。再流焊工艺在焊接时需要控制的工艺参数有三个,再流焊炉子的各个加热区间的温度、传送速度、热风速度。
再流焊接期间,随着这三个参数的变化,炉内的加热状态也发生变化,从而可获得组件的不同加热温度曲线。SMT再流焊焊接工艺中最重要的就是制造商运用所拥有的设备开发出合理的焊接温度曲线。再流焊中焊膏上某一点的焊接温度曲线,是指在该点处温度随时间变化的曲线。

2.3.1无铅再流焊接温度关键参数的确定[14]

无铅再流焊接的最高温度和最低温度是保证焊接质量和元器件安全的关键因素[14]
(1)最高焊接温度
印制板组件能承受的最高温度取决于她上面零件或材料耐温的最低值也就是最脆弱元器件(MVC)的耐温值(T2)。再流焊接理论温度(245度)减去5度作为产品的最易受损温度T2。要特别关注再流时的温度不要超过该值,如图2-5所示。
(2)再流焊接最低温度(T1
最低温度(T1)是焊膏理想的润湿温度,再流焊或完全合金化的温度。有铅时,它一般比合金熔点高20℃—25℃;无铅焊膏时一般比合金高10℃-15℃,如图2-4所示[14]


图2-4再流焊最高温度和最低温度
[键入文档的引述或关注点的摘要。您可将文本框放置在文档中的任何位置。可使用“文本框工具”选项卡更改重要引述文本框的格式。]
 
 


T1:是完全合金化温度或者最低再留温度,在印制板组件上的典型MVC(最脆弱问器是诸如:连接器、DIP开关。发光二极管、基板材料等的耐温值。
T2:是再流焊的实际最高温度,它取决于最脆弱元器件的耐热性。
(1)再流焊接温度
印制电路板电子组装件上的温度的最大梯度为T2减去合金化的液态温度T1,理想是希望温度梯度尽量小,同时峰值温度尽可能接近(但不低于)T1,易获得最小的温度变化率

2.3.2 无铅再流焊温度曲线参数的设定[14]


   无铅再流焊采用Sn/Al/Cu无铅焊膏时,通常采用图2-5的温度曲线

图2-5 Sn/Ag/Cu无铅焊膏再流焊温度曲线
无铅再流焊温度曲线见表4[14]

表4  无铅再流焊温度曲线参数
焊膏类型
无铅焊膏(Sn/Al/Cu)
预热区
温度
25℃~250℃
时间
100s~180s
升温工艺窗口
缓慢升温,最大﹤3℃/s
保温区
温度
150℃~180℃
时间
60s~90S
快速升温区
温度
180℃~235℃
时间
熔点以上保持10s~20s
升温工艺窗口
50℃
回流峰值区
峰值温度
235℃~245℃
回流时间
20s~40s
峰值温度工艺窗口
5℃
回流时间
20s~40s
回流时间工艺窗口
20s
冷却区
温度
60℃以下,速度﹤6℃/s
时间
40s~60s
1、预热区,无铅焊接从25℃升到150℃需要100s~180s,为了使整个PCB温度均匀,减小PCB及元器件的温差t,要求升温缓慢,最大不超过3℃/s;
2、保温区,温度从150℃~180℃,时间60s~90s。要求均匀升温;
3、快速升温区,无铅焊接从180℃升高到不超过240℃,升温60℃,熔点以上时间10s~20s;
4、回流峰值区,无铅的峰值温度为235℃~245℃,峰值温度的回流时间20s~40s;
5、冷却区,速度为3读C/s以上,防止冷去时间过长,造成焊点结晶颗粒长大;同时,防止产生偏析,避免结晶的形成℃

2.3.3 无铅再流焊接温度曲线的管理[14]

(1)RSS(Ramp-Soak-Spike Profilc)升温-保温-峰值曲线

   RSS曲线如图2-6所示,常用于RMA(中等活性助焊剂)、免清洗助焊剂场所。可以降低元器件和印制板的t,适用于多层板、大板以及有热容量大的复杂电路板组装件。

图2-6 升温-保温-峰值RSS曲线
(2)RST(Ramp-to-Spike)升温-峰值曲线   


RST曲线如图2-8所示,适用于所有阻焊剂以及无铅合金场所,水溶性助焊剂及难焊金属效果更好或者使用于大热容的一般印制板组件。

图2-7 升温-峰值RTS曲线
(3)采用梯形温度曲线(延长峰值的温度)


     对于小热容量元器件与大热容量元器件共存的组装件,焊接峰值使用梯形温度曲线,将允许小热容量元器件与大热容量元器件都能达到所要求的再流焊接温度,避免较小元器件的过热以及大热容量元器件的温度不足。焊接峰值使用梯形温度曲线,如图2-8所示

图2-8  峰值梯形温度曲线
2.4 本章小结

通过分析红外加热风再流焊设备特点和焊膏特性,结合表面贴装组件的再流焊工艺的要求,分析了采用的无铅焊膏条件下,获得最佳再流焊加热速度、温度的要求,即理想的再流焊温度曲线。为下一步仿真再流焊工艺打下了基础。
 
 
 
 
 
 
 
 
3  再流焊数学模型的建立

3.1基本理论

对于均匀、各向同性的连续体介质,其材料特征值与温度无关时,在能量守恒的基础上,可以得到导热微分方程式为[12]
                               (3-1)
式中:T——温度(K):
K——材料的导热系数(W/m·K);
f——过程进行的对间(S);
c——材料的比热容(J/Kg·K):
——材料的密度(Kg/m3)
Q——输出或消耗的热能(J)。
再流焊过程是一个高度的非线性瞬态问题,材料的热物性随着温度剧烈变化,它的热传导的控制方程为:  
                               (3-2)
式中, 、c和K是材料的密度、比热容和热导率,它们是温度的函数: 是内热源的强度。

3.2热传递的基本方式[11]

1)热传导
热传导是由于温度不同,在导体内部存在温差或者温度梯度,引起自由电子移动的结果。温差越大,自由电子的移动越激烈。假设所研究的物体的组织结构完全致密,热在物体的任何断面、任何时间都是相同的,那么在一定的温度梯度、一定时间、经过一定面积所传递的热量可以用下式计算[12]
                                                   (3-3)
式中:(T2-T1)——温度差(K)
       S——温差距离(m)
A——传热面积(m2
t——传热时间(s)
2)对流
对流是由运动的流体质点发生相对位移而引起热能移动的现象。研究对流传热时,主要以牛顿定理为依据,即传热流体的温度为n放于温度为乃的流体中,传热面积为4,经过时间t,则对流传热为[12]
                                             3-4
式中: ——对流传热系数(W/㎡·K)
      T ——放热流体(或固体)的温度(K)
T0——受热流体(或固体)的温度(K)
3)辐射
辐射能是物体受热后,内部原子振动而出现的一种电磁波能量传递。一切物体只要其温度高于绝对零度(T>-273C),就会从表面放出辐射能。辐射能的传播不需要物体直接接触,也不需要任何中间介质[12]
单位时间内物体单位表面所辐射出的能量M可以根据Stefan—Boltzmann定率揭示:
                                                                     (3-5)
式中:T——热力学温度(K);
——辐射系数,根据物体表面情况而定,对于灰体, ;
       ——黑度系数,在0~1之间;
       ——Stefab-Boltzmann 常数,
两个物体所处的温度不同,彼此都可以发射辐射能,并且一个辐射体能吸收另一个辐射体的辐射能量。对于焊接时被金属与热源之间的热辐射交换,可以用下式计算:
                                                      (3-6)
式中: T——热源的温度(K);
       T0——PCAs的初始温度(K);
对于再流焊接,传热方式主要以辐射和对流为主,热传导为辅。导热通常有三种方式,即热传导、热对流和热辐射。

3.3 边界条件[12]

为了使每一个节点的热平衡方程具有唯一解,需要附加一定的边界条件和初始条件,统称为定解条件。温度场分析通常有三类边界条件。
第一类边界条件是指物体边界上的温度函数已知,即:
                                                 (3-7)
式中: ——物体边界;
      Tw——已知壁面温度(常数);
      f(x,y,z)——已知温度函数(随时间变化);
第二类边界条件是指物体边界上的热流密度q已知,即
            或者                             (3-8)
式中:q——为已知热流密度常数;
      g(x,y,t)——已知热流密度函数;
第三类边界条件是指与物体相接触流体介质的温度r.和换流系数h已知,即:
                                                 (3-9)
式中:Tf和a——常数,也可以是随时间变化和位置变化的函数;
特殊情况下,边界与外界无交换热,即绝热边界条件,
                                                              (3-10)
   以上式(5--8、9、10)中的 为边界表面外法线方向。
再流焊实际焊接中存在的是第一和第三类边界条件,但同时应用这两种边界条件分析是非常复杂的,所以在本仿真中将第一类边界条件转换为第三类边界条件,这样在仿真过程只考虑转换后的第三类边界条件进行施加载荷。

3.4 再流焊温度场的数学模型[12]

再流焊中的一个边界条件是对流,这样根据牛顿冷却公式得:
                                                   3-11
式中:qc——单位面积的对流传导热量(J/㎡);
      h——对流传热系数(J/(㎡·K);
      T1——膛炉内的绝对温度;
      T2——PCB及其组件上某一点的绝对温度(K)。
由于再流焊加热过程中,被加热的PCB及其组件的模型是一个扁平型板状体,而再流焊炉内腔的高度很低大约只有35mm,再流焊在某一个温区内热量的传递过程可以看作是热量从炉壁的上下表面向中间的PCAs的传热,其加热示意图如图3.1所示[12]

图3-1 再流焊炉加热系统

方程3-11中的未知数是融,本课题研究的炉中对流传热方式可近似的看作是双面热气流纵掠平板的对流传热,这样[12]

                                                  (3-12)
式中: ——努塞尔数,表示流体在贴壁处温度梯度的大小;
          ——雷诺数,表示流动惯性力和粘滞力的相对大小的物理量:
     ——朗特数,表示流体动量扩散能力和热量扩散能力的相对大小。
    和 可以用式(3-24)和式(3-25)解得。
                                                             (3-13)
式中:u——气体流动的速度(m/S);
      L——PCAs板的长度(m);
      v——气体的流体粘度(㎡/S
                 &nb, sp;                                        3-14
中: ——气体的动力粘度(/s)
——气体的热容量(KJ(kg·K)
  ——气体的运动粘滞系数(W/(m·K)
这样,就可以求出hc了,
      
        
                                         (3-15)
本课题所用的气体为氮气(N2),其对应的各个温度下的密度、热容量、热导体热导率、动力粘度、运动粘滞系数和流体动量扩散能力和热量扩散能力的数值如表3-1所示[11]
 
表:3-1氮气热物理性能
气体名称
t
Cp
 
 
Prm
K
kg/m3
KJ/(kg.K)
W/(m.K)
kg/(m.s)
㎡/s
\
N2
273
1.211
1.043
2.407
16.671
13.8
0.72
323
1.023
1.043
2.791
18.927
18.5
0.71
373
0.887
1.043
3.128
21.084
23.8
0.7
423
0.782
1.047
3.447
23.046
29.5
0.69
473
0.699
1.055
3.815
24.811
35.5
0.69
523
0.631
1.059
4.129
26.674
42.3
0.69
573
0.577
1.072
4.419
28.341
49.1
0.69
 
在本仿真中所用的气体流速为u=5m/s,这样根据公式(3-15)可以求出热风的换热对流系数hc
再流焊中另一个边界条件是辐射,根据热辐射传热公式得:
                                    (3-16)
其中: ——为斯蒂芬-波尔兹曼常数,或黑体辐射常数,
     , ——分别是炉腔和PCB及其组件上某一点的发射系数;
     A1, A2 ——分别为两传热面的面积(m2);
     ——为面1,2的角系数
    这样上式的特征值可以近似认为是
        A1=A2=A  X2.1=1                                              3-17
因此,式(3-12)可简化为:
                                             (3-18)
所以单位面积上的传热方程为:
      
其中, ——单位面积的辐射传导热量(J/m2):
T1——炉腔壁的绝对温度(K);
T2——PCB及其组件上某一点的绝对温度(K)。
为了方便在工程计算中经常把辐射传热换算为对流传热,这样,写成牛顿冷却公式的形式为:
                                                (3-19)
=hr (T1-T2)                                                   (3-20)
其中:hr——经过辐射转换的对流传热系数(J/(m2·K))。所以:
                                           (3-21)
在本课题中,炉膛、PCB板及其组件的表面材料为Cu、FR4、钎料和封装元器件的四周及其上表面的塑料的发射率,见下表[11,12]
表:3-2各材质的发射率
材质
Cu
FR-4
钎料
塑料
膛炉
再流前
0.03
.098
0.82
0.95
0.8
再流后
0.071
将这些参数和实际加载的温度值代入公式(3-21)就可以求出其辐射转化为对流的传热对流系数 。
令 h=hc+                                                       (3-22)
这样,其边界上所加的载荷就为:
                                                   (3-23)
式中: ——边界所施加到单位体积上的总热量(J/m2);
h——叠加的对流传热系数(J/(m2·K))。

3.5 小结

在本章中介绍了热的传输方式以及实际再流焊中的两种边界条件,利用传热学的理论,将再流焊中红外加热转化为对流加热,结合再流焊设备对PCAs加热的实际物理过程,建立了再流焊加热过程的传热温度场数学模型,这样就很好的解决了再流焊两种边界条件分析和仿真困难的问题。用数学公式求解出各材料表面的对流传热系数,为下一步采用ANSYS对PCAs的温度场的建模与仿真奠定了基础。
4  PCAs的温度场仿真

4.1定义材料类型和材料属性

4.1.1 所需材料清单

再留仿真过程中所用的各种材料的清单如表4-1所示:
表:4-1材料清单
名称
类型
几何尺寸(mm)
数量/层数
PCB
FR-4
100×50×1.34
单层
Cu
100×50×0.08
单层
焊膏
Sn3.5Al0.75Cu
14×14×0.15
5
BGA
PBGA 14x14 FE64
14×14×3.5
5
在再流焊过程的数值模拟中,进行温度场分析时必须确定下列热物性参数:K导热系数(W/m·℃)、h对流系数(W/m2·℃)、 密度(Kg/m3)、Cp比热(J/Kg·℃)、发射率 ;这些材料的热参数是随温度场变化的,下面将对以上各材料的热物性及选择情况进行简要的介绍。

4.1.2 Cu箔的热参数

由于PCB板中实际的铜箔层是经过蚀刻处理而形成的网状细小线路(称作布线或导线).被用来提供各种元器件问的电路连接;并且根据需要不同,每块PCB板上拥有的布线又不尽相同.布线的形状也很复杂,这样如果按照实际情况来建模将是非常困
难的,因此,我们对其进行了简化,用覆盖在整个板子上的铜箔来进行模拟,Cu箔厚度为0.08mm, Cu箔的热参数如表4-2所示[11]、[12]、[13]
表4—2 Cu箔的热参数
 
20℃
80℃
120℃
160℃
200℃
225℃
240℃
密度p
8893 Kg/m3
发射率
0.03
Cp
356.8
375.5
388
400.4
412.8
420.6
425.3
K
521.5
532
539
546
553.3
557.7
560
 

图4-1 Cu箔的比热随温度变化情况
 

 
 
 
 
 
 
 

 

图4-2 Cu箔的传导系数随温度变化情况
4.1.3  FR-4的热特性

本文在模拟过程中,由于采用的是无铅再流焊,FR-4采用耐高热的无铅覆铜板(经288℃、10S的热应力测试、热分层时间为30min)才符合要求,根据Sarvar F and P P Conway等在1998年发表的文章Effective modeling of the reflow process:Use of a modeling tool for product and process design中的数据,整理得到FR-4的热参数列于表4-3,其中比热容随温度变化曲线见图4-3。
表4-3 FR-4的热参数
 
20℃
80℃
120℃
160℃
200℃
225℃
240℃
密度p
1859 Kg/m3
发射率
0.98
K
0.29
Cp
1100
1400
1500
1550
1600
1610
1640
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

图4-3 FR-4的比热容温度变化情况
 


4.1.4 无铅焊料的热特性

基于以上无铅钎料的发展背景、选择原则以及各类钎料的特点,本课题选择无铅钎料Sn3.5Al0.75Cu。MaSazumi Amagai ,等人在做Sn-Ag基无铅钎料的力学性能时所用的一种钎料,这种无铅钎料的各种性能数据比较完整,能够满足本课题仿真所需的各种数据资料。其基本性质见下表[11]、 [12]
表4-4  焊膏Sn3.5Al0.75Cu在不同温度下热物性参数
 
密度
发射率
导热系数K
比热Cp
再流前
7310
0.82
25
114
再流时
8218
0.071
25
238
再流后
8218
0.071
48
176

4.1.5 BGA的热参数

BGA主要有四种基本类型:PBGA(塑封球栅阵列)、CBGA(陶瓷球栅阵列)、CCGA(陶瓷柱状触点阵列)和TBGA(载带球栅阵列),一般都是在封装体的底部连接着作为IO引出端的焊球阵列。PBGA(Plastic Ball Grid Array)即通常所的OMPC,是最普通的BGA封装类型。本次模拟过称中采用的是PBGA 14x14 FE64,其热特性如表4-5所示[13]:                     
 
 
 
 
表4-5 BGA在不同温度下热物性参数
 
40℃
80℃
120℃
160℃
200℃
225℃
250℃
密度p
1800
发射率
0.98
K
18
Cp
840
850
900
960
1000
1050
900
下面是BGA元件的材料属性随温度变化的关系曲线图:
 
 
 
 

 
 
 

图4-4 BGA的比热随温度变化情况
 


4.2 ANSYS软件介绍

4.2.1 ANSYS软件分析方法

ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学与一体,以有限元分析为基础的大型通用CAE软件,被广泛应用于机械制造、石油化工、轻工、造船、航空航天、汽车交通、电子、土木工程、水利、铁道、日用家电、生物医学等众多工业领域及科学研究。它含有多种有限元分析的能力,包括从简单的线性静态分析到复杂的非线性动态分析。一个典型的ANSYS分析(包括结构分析、流体动力分析、声场分析、电磁场分析、压电分析和多物理场的耦合分析等)过程通常包括以下三个步骤:
(1)前处理模块(PREP7)——创建有限元模型
(2)分析求解模块(SOLUTION)——施加载荷进行求解
(3)后处理模块(POSTI和POST26)——查看分析结果
其中前处理模块为一个强大实体建模和网格划分工具,通过这个模块用户可以建立自己需要的工程有限元模型。分析求解模块即是对已建立好的模型在一定的载荷和边界条件下进行有限元计算,求解平衡微分方程。后处理模型是对计算的结果进行处理,可以将结果以等直线、梯度、矢量、粒子流及云图等图形方式显示出来。
ANSYS不仅为用户提供一个优良的工作环境,使用户从繁琐、单调的常规有限元编程中解脱出来;而且具有很强的兼容性,为不同专业背景的用户进行二次开发提供了友好的环境。
但是作为一个通用的有限元分析软件,要把它用到焊接过程这样一个高度非线性问题模拟中,还需要利用专业的知识对载荷、边界条件(特别是移动热源)进行特殊处理,还要采取措施以控制该非线性问题的发散。

4.2.1 关于ANSYS的热分析

热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数,如热量的获取或损失、热梯度、热流密度(热通量)等。热分析在许多工程应用中扮演重要角色,如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等。通常热分析后进行结构应力分析,计算由于热膨胀或收缩引起的热应力。
ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程,用有限元法计算各节点的温度,并导出其它热物理参数。ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。此外,还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。
ANSYS热分析分为:
(1)稳态传热(系统的温度场不随时间变化):
稳态传热用于分析稳定的热载荷对系统或部件的影响。通常在进行瞬态热分析以前,进行稳态热分析用于确定初始温度分布。稳态热分析可以通过有限元计算确定由于稳定的热载荷引起的温度、热梯度、热流率、热流密度等参数。
(2)瞬态传热(系统的温度场随时间明显变化):
瞬态热分析用于计算一个系统的随时间变化的温度场及其它热参数。在工程上一般用瞬态热分析计算温度场,并将之作为热载荷进行应力分析。瞬态热分析的基本步骤与稳态热分析类似。主要的区别是瞬态热分析中的载荷是随时间变化的。为了表达随时间变化的载荷,首先必须将载荷~时间曲线分为载荷步。载荷~时间曲线中的每一个拐点为一个载荷步,对于每一个载荷步,必须定义载荷值及时间值,同时必须选择载荷步为渐变或阶越。如下图4-5所示[12]
 

图4-5载荷步 时间曲线分为图

4.3 创建有限元几何模型

1、单元的选择
Ansys提供了各种单元来模拟热问题。模拟三维热传导的单元类型是SOLID70,,因此本课题开始选用的单元类型为SOLID 70,它是模拟三维热传导的单元,拥有8个节点,每个节点有一个自由度(温度),并且它可以用于稳态热分析和瞬态热分析,如图4-6所示[12]
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

图4-6 SOLID70 (3-D热单元说明)
 

 
 
 
 

2、定义材料属性
在这里为了对PCB进行准确的热分析,就需要对建模所用材料的影响分析过程的全部热参数值进行正确定义。这些热参数包括比热容、热导率、密度等。根据国外研究发现在瞬态温度场分析中比热容是最敏感的参数。在以前.建立PCB组件模型时,无论是基板还是元件材料所采用的比热容,都是生产商提供的单一的常数值。然而采用常数值进行的求解结果并不和再流焊过程中实际结果相匹配。每个封装件是由不同材料组成的,而同种材料在不同封装件中所占的比例也是不同。因而根据实验测定材料在不同温度下的比热值显得尤为重要。此外,热导率以及发射率、密度、对流系数等材料参数都是随温度而变化的,因而在ANSYS建模中必须尽量采用随温度变化的材料性能参数,以求得更为精确的结果。此处采用的材料熟属性参数见上面各表。
3、实体建模
几何模型的建立有两种方法:自动网格建立法(automatie mesh generation)和直接生成法。自动网格建立法是先画出模型的实体模型,然后对实体模型进行网格划分产生节点和单元,可以控制程序生成单元的太小和形状:直接生成法是采用连接节点的方法建立元素,对于复杂结构,建立过程不仅复杂而且容易出错[13]
在建立实体模型时,可以采用自底向上构造有限元模型,即在构造实体模型时,首先定义关键点,再利用这些关键点定义比较高级的实体图元(即线、面和体);也可以采用自顶向下构造有限元模型.即通过汇集线、面、体等几何体素的方法构造模型。本课题采用的是自顶向下的方法。即先定义体,其中伴随面和线同时产生,然后进行布尔操作。
(1)PCB板的仿真在ANSYS程序中PCB板的仿真模型如图4-7所示。
 

图4-7 PCB的仿真模型
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

(2)BGA和焊膏的仿真模型
为了使问题得到简化.而又不影响仿真的精度,在仿真中只考虑对温度场影响较大的元器件。本课题中,对7个BGA元器件进行了仿真。在仿真过程中,使用了近似的方法。因为BGA元件引脚众多,而且相应的焊盘以及焊膏等也非常多,想具体建立详细的几何模型非常困难,所以对BGA以及焊膏做了简化处理。在仿真中把BGA看成一个长方体,把焊膏看成一个片状薄板,其仿真模型如图4-8、4-9所示。

图4-8 BGA的仿真模型
图4-9 焊膏的仿真模型
 

 
 
 
 
 
 
 
 

(3)整个PCB的仿真模型
本课题仿真的主要是BGA无铅再流焊的温度场,为了建模和计算的方便,整个PCB上只有BGA这一元件,分布在PCB的同一个面上,建模完成后整个PCB组件的仿真模型,如图4-10所示
 

4-10PCAs的仿真模型
 
4、划分网格
网格可分为自由网格和映射网格。在对模型进行网格划分之前,要确定采用自由网格还是映射网格进行分析,这是非常重要的。自由网格对实体模型无特殊要求,对任何几何模型,规则的或不规则的,都可以进行网格划分,并且没有特定的准则。所用单元形状取决于对面还是对体进行网格划分,自由面网格可以只由四边形单元组成,也可以只由三角形单元组成,或者两者混合组成;自由体网格一般限定为四面体[11]
映射网格划分要求面或体是有规则的形状,而且必须遵循一定的准则,与自由网格相比,映射面网辖只包含四边形或三角形单元;而映射体网格只包含六面体单元。映射网格具有规则形状,单元成排规则排列。有限元尺寸的选择通常决定于被分析问题长度数值范围.网格划分得越小,则计算的精度越高,同时对计算机配置的要求也越高。本课题采用自由网格划分,划分完后共有节点18089个,划分完成后如图4-11所示:
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4-11 划分网格后的仿真模型
4.4 边界条件

再流焊炉为充N2的热风炉,热传递是通过炉壁的辐射和由被加热的N2通过对流方式传输给PCAs组件的如图4-13,而PCAs组件内部也进行由表面到内部的热传导如图4-13所示。其热传递数学模型上一章以详细叙述。
再流焊过程中,由于工件的边界和周围环境存在着强烈的温差,而与周围介质换热,其中包括对流和辐射换热。温度越高则辐射换热越强烈,而对流相对较小。由于辐射和对流的计算方法不同,为了计算方便,本课题中将辐射换热及热流和物体表面的温度差联系起来,考虑总的对流系数h,这样边界传热可以表示为
                                                    (3-23)
其中: h=hc+                                                         (3-22)
h是随温度而变化的,hc和hr的求解分别见上章(3-15)和(3-21),其中hr利用APDL语言编写命令,在仿真过程中每个子步求解一次然后从新赋给不同的材料。

图 4-13PCB组件表面与炉内空气对流换热
4-12  PCB板表面对流和内部热传导示意图
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4.5 加载和求解

4.5.1加载过程

本课题中将再流焊炉分成八个炉段,包括升温区两段、保温区三段、回流区两段、炉外冷却区一段。每个炉区的长度定为500mm。每个温区设置如表4-6所示。
4-6 再流焊炉区温度设置
 
八个温区
第一
第二
第三
第四
第五
第六
第七
第八
温度设置
峰值为平台曲线
250
260
210
210
210
390
270
25
峰值为尖峰曲线
260
260
200
200
210
350
360
25
取传送带的传动速度为750mm/min,可以计算出PCB组件完全进入某个炉区的时间所需的时间为100/750×60=8s,PCB组件在每个炉区中停留的时间为500/1000×60=40s
在ANSYS中,热载荷可以加载到节点上或者面上,在本课题中,热载荷(热流密度)是加载在节点上的。由于ANSYS对辐射传热计算比较复杂,所以本文所加的载荷只是对流载荷,即对于辐射载荷换算成对流载荷。由不同平面的物理状态(表面状态:如光滑程度,颜色等)及其物理性质(发射率,热导率等)不同所加的对流系数不同(其加载的数学模型见第三章)。
PCAs组件从第n-1炉区进入第n炉区的加载示意图如图4-14所示,其中不同的颜色代表加载的质不同[12]

4-13  PCAs组件从n-1炉区进入第n炉的加载示意图
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

在ANSYS中,对流载荷可以加载到节点上或者面上,在本次模拟仿真中,对流载荷是加载在节点上的。网格划分完后,通过坐标选择不同材料的表面节点区域.然后根据不同的时间模拟进板过程施加移动载荷
移动载荷通过APDL语言中的循环语句来实现的:在求解时按进板的速度和板上元器件的分布,将板子按照不同材料划分好加载的区域。然后针对每个区域建立相应的加载表格,不同的加载表格载荷温度是一样的但是加载的起始时间是按进板的过程设置的,对流换热系数按公式动态计算然后赋给对应的区域。最后把加载表格对应加载到不同的材料表面节点上。PCB组件完全加载后如图4-14所示。

4-14  PCB 组件加载图
 



4.5.2求解过程

    由前文表4-6的温区设置可知,两种炉温设置,第一种峰值为尖峰的加载温度依次是(图4-16):260℃、260℃、200℃、200℃、210℃、350℃、360℃、25℃;第二种带平台的加载温度依次是(图4-17:250℃、260℃、210℃、210℃、210℃、390℃、270℃、25

4-15  尖峰的温度加载示意图
 

 
 
 
 
 
 
 
 

(1)在第一种设置的炉区温度下
 

4-16  平台的温度加载示意图
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

经过加载求解进入时间后处理,在第一种设置的炉区温度下,PCB组件上的各个点的温度曲线将是一种峰值为尖峰的曲线,如图4-l7是焊膏上点随时间变化的再流焊过程中的温度曲线。

图4-17 焊膏上点随时间变化的再流焊过程中的温度曲线
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

(1)在第二种设置的炉区温度下
经过加载求解进入时间后处理,在第一种设置的炉区温度下,PCB组件上的各个点的温度曲线将是一种峰值为平台的曲线,如图4-l8是焊膏上点随时间变化的再流焊过程中的温度曲线

图4-18 焊膏上点随时间变化的再流焊过程中的温度曲线
 


4.5.3求解的结果及分析

(1)POSTI后处理
1)分析在第一种炉区(峰值为尖峰)温度设置下不同时刻的PC8组件温度场分布
计算求解完成后,通过后处理POSTI来得出PCB组件在再流焊过程中各个时刻的温度场分布.如图4-19所示:
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

(a1) 3秒时的温度场分布
(a2) 8秒时的温度场分布
 

 
 
 
 
 
 
 

(a3) 40秒时的温度场分布
(a4) 80秒时的温度场分布
 


图4-19预热区的PCB组件温度场分布
由4-19(a1)、(a2)、(a3)、(a4)是PCB组件从0秒到80秒在预热区加热过程的温度场分布.炉温设置为260℃。由于进入炉区的先后顺序,先进入炉区部分的温度明显高于后进入炉区部分,温度差逐渐变大,由图(a2)可以看出PCB组件完全进入第一个炉区时,以上两部分之间的温度差已经达到36.9℃:并且PCB组件在这一区域加熟后温度上升很快。图(a3)所示40秒时PCB组件开始进入第二个预热区.PCB板温度逐渐上升。图(a4)所示已经完成了预热阶段的加热,开始进入保温炉区,整个PCB组件同时受热,温度场分布较刚开始时已经更加均匀,不同区域的温差较刚开始也有所减小,最大温差为35℃。由于同时加热时间不够长,仅为80秒。使得PCB组件上的温度分布仍是非常的不平衡。

(b1) 88秒时的温度场分布
(b2) 120秒时的温度场分布
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

(b3) 128秒时的温度场分布
 
(b5) 140秒时的温度场分布
 
(b4) 160秒时的温度场分布
 
(b6) 200秒时的温度场分布
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

图4-20保温区的PCB组件温度场分布
图4—20(b1-b6)是PCB组件从88秒到200秒进入保温区过程的温度场分布。在这一区域有三个保温炉区组成,前两个保温区炉温设置为200℃。第三个保温区温度设置为210℃。,这段加热时间比较长,所以温度上升较缓慢,而且比较均匀;从PCB组件温度场分布看,各区域之间的温度差距已经变得很小,在200秒时仅相差13℃,整个PCB组件的温度基本均衡。在BGA区域周围温度场产生了较大的变化,温度明显低于PCB组件上的其它区域.这是因为BGA材料的比热容比较大,因而升温较同时加热的相邻区域慢。

(c2) 245秒时的温度场分布
 
(c1)208秒时的温度场分布
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

(c4) 260秒时的温度场分布
 
(c3) 260秒时的温度场分布
 

 
 
 
 
 
 

图4-21回流焊区的PCB组件温度场分布
c1-c4PCB在快速升温区和再流焊的温度分布,第一个再流焊区温度为350℃,第二个为360℃由于再流区的温度比保温区的高140多度,所以进入这两个区域后板上温度开始上升,达到再流焊接的温度要求,但由于温度曲线程尖峰分布所以,峰值比较高在280秒是达到峰值,板上最高的温度为259℃,最低的峰值也达到了231℃,有较大的温度梯度,同时对于比热容小的元器件的承受能力也是一种考验。

(d1) 300秒时的温度场分布
 
(d2) 330秒时的温度场分布
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

图4-22冷却区的PCB组件温度场分布
图4-22(d1)、(d2)是PCB组件从280秒到330秒进入冷却区的温度场分布,PCB组件进入了冷却区,冷却区温度设置为25。PCB组件整体温度开始迅速下降,同时由于有先后的顺序,所以不同区域温差开始变大。先进入冷却区的部分温度骤降,最高和最低部分温差达到了46℃。在这过程中虽然有部分区域温度任高于焊膏熔点,但是随着冷却的进行焊膏可以得到很好的凝结。
2)分析在第二种炉区(峰值为平台)温度设置下不同时刻的PCB组件温度场分布
计算求解完成后,通过后处理POSTI来得出PCB组件在再流焊过程中各个时刻的温度场分布.如下图所示:
 
 
 
 
 
 
 
 
 

(a1) 3秒时的温度场分布                       (a1) 8秒时的温度场分布
 
 
 
 
 
 
 
 
 

(a3) 40秒时的温度场分布                    (a4)80秒时的温度场分布
图4-23“平台”温度设置下预热区的PCB组件温度场分布
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

(b1) 120秒时的温度场分布                   (b2) 106秒时的温度场分布
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

(b3) 200秒时的温度场分布
图4-24“平台”温度设置下保温区的PCB组件温度场分布
峰值为平台的加载温度区间在预热区和保温区的温度值设置和峰值为尖峰的加载曲线非常接近,最高相差10℃,所以它们的仿真温度场分布也非常相近,在此就不在重复分析,具体结论可以上面相同类型的分析,而结果可以查看温度场云图。
 
 
 
 
 
 
 
 

(c1)208秒时的温度场分布                        (c2) 245秒时的温度场分布  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

图4-25“平台”温度设置下再流区的PCB组件温度场分布
 
(c3) 260秒时的温度场分布                       (c4) 280秒时的温度场分布  

 
 
图4-25(c1)、(c2)、(c3)、(C4)是PCB组件从208秒到280秒进入快速升温区和再流焊区的温度场分布。在这一区域有两个回流焊炉区组成.第一个炉温设置为390℃,第二个炉温设置为270℃,前一个炉温满足快速升温的需要,在245秒是平均温度基本稳定在237℃左右基本接近无铅焊接的最理想润湿温度,在此后的40秒内,焊膏温度不在发生较大的变化,在260秒到280之间从云图可以看出焊膏温度基本不变,使得峰值区程平台状,260秒是最高温度为247℃,280秒时候的最高温度也为247℃,且两个时间点上的温差都只有10 ℃左右,满足再流焊的温度需求,同时温度不至于过高,保证了小比热容元器件的温度承受的需求。
 
 
 
 
 
 
 
 
(d1) 300秒时的温度场分布                       (d2) 330秒时的温度场分布
图4-26“平台”温度设置下冷却的PCB组件温度场分布
图4-26(d1)、(d2)是PCB组件从280秒到330秒进入冷却区的温度场分布,PCB组件进入了冷却区,冷却区温度设置为25℃。PCB组件整体温度开始迅速下降,同时由于有先后的顺序,所以不同区域温差开始变大。先进入冷却区的部分温度骤降,最高和最低部分温差差不多达到了50℃;可以看出PCB组件上的温度场有跳跃,因为熟传导的作用使得高温区域向后移动.这是因为前面部分进入冷却区的同时,后面部分仍旧在再流区进行着加热:在冷却区中BGA区域温度场与它周围区域温度场相比变化不太.最终的温度场分布图中可以看出,其最高温度为216℃.PCB组件上的温度均低于钎料的熔点温度217℃,因此钎料得到了良好的冷却凝固。
(2)两种加载曲线的仿真结果对比
    通过两种加载曲线的仿真,以及上面各云图的介绍,分别将两种加载曲线在各温区结束时候的,最高温、最低温、平均温度做一横向对比,其中平均温度通过以下APDL语言求的:
*vget,tt,node,,temp          !将所有节点温度生产列表
he=0
*do,i,1,18089,1
he=tt(i)+he                !利用do循环求出总的温度和,其中节点数为18089
*enddo
pin=he/18089              !求出平均温度
所以结果如表4-7, 4-8所示
4-7 峰值为尖峰的加载各区间结束时温度情况/
区域
预热区
保温区
再流区
冷却区
应达到
150
180
235 245
60
峰值为
尖峰
第一温区
第二温区
第三温区
第四温区
第五温区
第六温区
第七温区
第八温区
最高温
120.7
163.3
165.3
174.3
189.3
229.3
256.2
196.3
最低温
71.4
124.1
150.0
163.4
174.6
200.1
231.8
150.4
平均温
81.1
139.3
167.4
167.4
178.3
210.6
241
171.6
 
4-9 峰值为平台的加载各区间结束时温度情况/
区域
预热区
保温区
再流区
冷却区
应达到
150
180
235 245
60
峰值为
尖峰
第一温区
第二温区
第三温区
第四温区
第五温区
第六温区
第七温区
第八温区
最高温
116.1
155.1
164.9
176.3
193.8
260.1
248.8
194.0
最低温
68.9
118.1
145.8
162.7
174.8
213.4
236.6
149.0
平均温
85.9
132.1
152.9
167.7
178.8
230.0
241.0
178.2
 
通过两个表格的陈列,可以看出在预热区第一个温区时候两种曲线的温差最大,所以也是升温最快的区域,由于初始温度为25℃,所两个温区的升温速率都是<3/S ,符合升温的要求,但在保温区结束时候,两种曲线整体上没达到所要求的温度要求,可以适当提高加载的温度。
进入保温区,由于时间比较长,而且加载的温度比较结果比较接近,而且平均温度很接近的温度要求,所以温度设置比较合理
在第六(快速升温区),峰值为尖峰的曲线加载出现升温不足的情况(熔点以上时间10s~20s;)如果提高加载温度,势必会提高后面再流区的峰值,不可取。而峰值为平台的曲线加载,这与区域的平均温度达到230℃,熔点以上时间也满足要求是比较理想的加载
在第七区,峰值为尖峰的曲线加载的最高峰值达到256℃而最高峰值为231℃,温差比较大、而且最高峰值温度过高,这可能会损伤对温度比较脆弱的元器件。而峰值为平台的曲线的加载在“平台”形温度设置下,控制了最高温度的同时也保证了最低温度.也就是说,即保证了高比热电子元器件的焊接接点到达熔化焊点的温度,同时限制了低比热电子元器件温度的上升。所以比热容大的元器件也可以和板子达到较均匀的温度。,而且这一区域峰值温度最低与最高之间相差很小,最高峰值还低于250℃对于比热小的元器件其温度也不会过高。所以加载比较合理。
PCB组件进入了冷却区.冷却区温度设置为25.PCB组件整体温度开始有先后的顺序的迅速下降,不同区域温差开始变大,PCB组件上的温度场有跳跃,得高温区域向后移动,先进入冷却区的部分温度骤降。但是从“尖头”形温度设置下的温度场分布图中可以看出,其最高温度为230℃,高于钎料的熔点温度217,钎料并没有得到了良好的冷却凝固,而在“平台”形温度设置下.最高温度相对要低一些,钎料得到的冷却凝固效果也跟好。因为这两个区域都没有达到冷凝区域的要求,可以适当加强冷区域的对流强度,如加强风速等。

4.5.4 加载曲线的选取及优化

带“平台”曲线被推荐用于PCB无铅焊接
(1)采用带“平台”曲线的原因
在“尖头”形曲线的情况下,高比热电子元器件的焊接接点到达熔化焊点的温度.但同时低比热电子元器件温度的上升也将不断上升.很可能导致PCB上的电于元器件温度过高被烧毁或者PCB损坏:然而在“平台”形曲线的情况下,将带来高比热电子元器件的焊接接点到选熔化焊点的温度,同时限制了低比热电子元器件温度的上升。基于这个原因.“平台”曲线更适用于PCB的无铅焊接。
(2)用仿真方法将带。尖头曲线优化为带“平台”曲线的过程[13]
在实际的仿真过程中,若想将尖头曲线优化成平头,可以参照以下三步进行:
①第一步:PCB中的电子元器件的最高温度和焊接连接处的最低温度将首先被探测出。根据在冉流焊区域中基板温度分布的计算结果,每个电子元器件的温度都将由这个分布所获得。在有熔炉中系列热条件下获得的仿真结果可知.最高温度和最低温度点的位置是不会改变的。
②第二步:在再流焊过程中基板温度曲线的形状被最优化。在再流焊过程中有两个典型的曲线:带尖头曲线,这是曲线形状中温度再流区域,研究这个区域是为了保证PCB板的温度曲线变为平台形曲线。在这个优化过程中,峰值是很尖的,而带“平台”曲线(梯形温度曲线)是很平的峰值。在平台形曲线的情况下,将带来高比热电子元器件的焊接接点到达熔化焊点的温度,同时限制了低比热电子元器件温度的上升。基于这个原因,平台一曲线被推荐用于无铅焊接。在预热区域,温度设置的影响没有被改进,只有再流区域的温度条件被假定为参数。此外上下两个加热器有相同的温度条件。在这里,T1和T2被定义为再流焊熔炉中的两个再流区REFl和REF2的温度设置。结果表明在T1>T2时的曲线是带平台的。曲线在T1=T2时是“角形”表明在元器件温度降低之前是峰值。在T1>>T2时(在T1>>T2时,T1与T2的设置温度之间的差距两倍于T1>T2时的差值),曲线峰值有点轻微的过头。其中,ATHAT被定义为在T1>T2时的温度差值。接下来,假设当保留ATHAT温度差值,Tl和T2的温度被改变时,可以观察出虽然温度曲线有不同的峰值,但是保留了“平台”。因此,为了保持“帽形",可以认为很有必要在T1>T2时保留△THAT温度差值。
③第三步:最后研究再流焊熔炉中的两个再流区域REFl、REF2最优温度的设置。为了保持PCB板的稳定性和可靠性,在焊接过程中,电子元器件必须在它的耐热温度之下,焊剂必须在它的熔化温度之上。在此研究中,必须考虑上述两步的条件。当设置温度T1被改变,设置温度T2也被改变,并且Tl、T2的温度差值得保持ATHAT时,峰值温度与T1的温度呈线性相关的,可以获得两条近似的直线。如果Tmax的热阻温度是240℃,则REFl的温度上限TH将由Tmax峰值温度的近似线获得。同样的,如果焊剂的熔化温度是220℃,那么REFl的温度下限TL将由Tmin峰值温度的近似线获得。这就是说,当REFl的温度由TL调到TH时,基板上的所有电子元器件都将在其热阻温度之下,焊剂也将熔化。总之,当T1,T2的温度差值为ATHAT时,PCB板的温度曲线才能会成为“平台”形。

4.6 本章小结

本章通过利用ANSYS软件对PCB组件的再流焊过程进行建模与仿真,使PCB组件在两种不同的温度设置下(“尖头”温度场和“平台”温度场)获得了PCB组件随时间变化的温度场分布、翘曲变形情况和应力分布图,并进行了深刻对比和分析。
(1)开始进入再流焊炉时,PCB组件上的温度分布非常不均匀,各区域温差逐渐变大;经过保温区加热后,各区域间的温差变得很小,温度分布趋于均衡。但是,由于BGA是大热容量器件,其周围区域温度稍微低一些;进入再流焊区后,温度场分布再次变得不均匀,BGA区域的温度场与周围区域的温度场相比差别更加明显;最后进入冷却区,PCB组件的整体温度开始迅速下降,温差变得更大,可以看到PCB组件上的温度分布有跳跃同时,对比发现“平台”温度场优于“尖头"温度场。
(2)通过热仿真所获得的PCB组件随时间变化的温度场分布展示了有“平台”的温度设置使PCB板获得更好的工艺属性
(3) “平台的”曲线获得可以通过按要求拉开快速升温区和再流焊区两个温区的加载温度而获得
5 结论
 
本文分析了PCAs组件在再流焊过程中经历不同温区的受热情况,用ANSYS软件对BGA的PCB板在再流焊受热过程进行了模拟和仿真,得出了以下结论:
1.首次利用传热学的理论,将再流焊中红外加热转化为对流加热,结合再流焊设备对PCAs加热的实际物理过程,建立了再流焊加热过程的传热数学模型。这样就很好的解决了再流焊两种边界条件分析和仿真困难的问题。
2.根据再流焊设备的尺寸,结合获得良好性能产品的再流焊焊膏熔化温度曲线的要求,建立了再流焊传输带速度(v)和再流焊各加热温区功能的模型。
3、利用ANSYS软件对再流焊各炉区的加载温度进行了动态设计,获得了再流焊加载温度曲线:将GA的PCB板在再流焊过程的温度场进行了动态仿真,获得了各组件优化加载温度条件下的动态温度场。
4、利用快速升温区和再流焊区的温差,可以按要求调出峰值为平台的加载曲线,这样的加载曲线具可以使板具有更好的工艺属性,更适合无铅再流焊接的温度需要,以及比热相差较大的组装场合焊接。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
谢  辞
 
    本论文是在导师龚雨兵博士的悉心指导和亲切关怀下完成的,课题进行的每一步都凝聚了龚老师的辛勤汗水。龚雨兵老师严谨的治学态度、科学的工作方法以及诚信仁厚的长者风范深深的影响了我,使我终身受益。值此论文完
成之际,谨向导师致以衷心的感谢和诚挚的敬意。
此外,在论文完成过程中谢琰、岑传深、崔在甫等其他同学对我的课题提出了宝贵意见并对我的论文写作给予的热情帮助,在此一并向他们和其他帮助过我的同学表示感谢。
衷心感谢父母对我的养育和教育,他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。同时感谢桂林电子科技大学机电工程学院给了我们良好的学习环境,同时感四年大学生活中所有培养过我的老师,是他们的培养让我具备独立完成毕业设计和大学本科教育的能力。
最后,再次感谢龚雨兵博士,同时向参加答辩的各位老师致以诚挚的谢意。
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
[1]  吴兆华,周德俭[M] .表面组装基础.北京:国防工业出版社.2005:1~196
[2]  吴兆华,周德俭[M] .表面组装工艺技术.北京:国防工业出版社.2007:1~269
[3]  盛和太,喻海良,范训益[M] .ANSYS有限元原理与工程应用实例大全 .北京:清华大学出版社.2006:1 453
[4]  潘开林,周德俭.SMT再流焊工艺预测与仿真技术研究现状[J].电子技术,2000,21(5):185~187.
[5]  鲜飞.再流焊工艺技术的研究[J].电子与封装,2005,5(3):16-19.
[6]  毛信龙,韩国明,黄丙元等.SMT再流焊温度场建模与仿真[J].焊接技术.2004,33(13):35~41
[7]  王艳.SMT再流焊接工艺预测与温度曲线仿真技术研究[D].桂林:桂林电子工业学院,2004.
[8]  田艳红,王青青.微电子封装与组装中的再流焊技术研究进展[J].焊接,2002:65-95.
[9]  姜志忠.无铅焊点寿命预测及IMC对可靠性影响的研究[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学, 2005.
[10]  林丹华.PBGA封装热可靠性分析及结构优化[D].湖南:中南大学,2008.
[11]  黄丙元.SMT再流焊温度场建模与仿真[D].天津:天津大学,2005.
[12]  毛信龙.PCB组件再流焊工程中热变形的建模与仿真[D]. 天津:天津大学,2005.
[13]  郭小辉. 无铅钎料在PCB再流焊中翘曲的模拟仿真[D]. 天津:天津大学,2007.           
[14]  JB/T10845-2008 ,无铅再流焊通用工艺规范[S].
[15]  IPC60062-6135  1245-1999, IPC-SM-782A[S].
[16]  SJ/T 11216-1999,红外再流焊技术要求[S].
[17]  Pradeep Hegde, Andrew R.Ochana,David.C.Whally et al. Finite element analysis of lead-free surface mount denice.Computional Materials Science,2008,43:212-220.
[18]  Sarvar.F Effective modeling of the reflow soldering process:basis,construction and operation of process model[J].IEEE Trans on ComponenL Packaging,and Manufacturing Technology-partc:1998,21(2):126 133
[19]  Masazumi Amagai,Masako Watanabe,Masaki Omiya,Kikuo KJshimoto,Toshikazu Shibuya. Mechanical characterization of Sn-Ag-based lead-free solders[J].Microelectronics Reliability,42(2002):951 966.
 
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