李 娜，袁 吉，田曉明

（陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，陜西 渭南 714000）

0 前言

鑒于對(duì)人類身體健康和生活環(huán)境的保護(hù)，無(wú)鉛焊料的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。無(wú)鉛合金熔點(diǎn)為217℃，比錫鉛焊料熔點(diǎn)183℃高了近34℃，這一變化會(huì)造成元器件過(guò)熱，不利于實(shí)現(xiàn)元器件與PCB基板的可靠連接，所以有必要通過(guò)添加托盤(pán)工裝來(lái)改善PCB組件的溫度分布狀況[2]。

目前，人們對(duì)回流焊過(guò)程中的PCB組件溫度場(chǎng)進(jìn)行了大量的研究，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)還存在一定的局限性，對(duì)添加工裝的PCB組件回流焊模擬仿真的報(bào)道較少，而且對(duì)焊料的研究以SnPb釬料為主，對(duì)于無(wú)鉛釬料的研究相對(duì)較少。在此著重對(duì)添加工裝的無(wú)鉛PCB組件回流焊過(guò)程的溫度分布進(jìn)行研究。

1 回流焊系統(tǒng)的熱傳遞方程

本仿真模擬的回流焊爐是目前華為公司使用的十溫區(qū)回流焊爐，如圖1所示。

主要考慮對(duì)流和輻射兩種熱傳遞方式，需對(duì)對(duì)流系數(shù)進(jìn)行修訂。一般氣體強(qiáng)迫對(duì)流傳熱系數(shù)為20～100 W/（m2·k），根據(jù)廠家提供的實(shí)際熱風(fēng)對(duì)流速度和具體工藝參數(shù)，取近似對(duì)流傳熱系數(shù)為一定值，其值為hc=23.6 W/（m2·k）。將輻射邊界轉(zhuǎn)化為對(duì)流邊界，參考天津大學(xué)黃丙元[3]的碩士論文，經(jīng)過(guò)輻射轉(zhuǎn)化的對(duì)流系數(shù)hr為

式中 hr為經(jīng)過(guò)輻射轉(zhuǎn)換的對(duì)流傳熱系數(shù)[單位：J/（m2·k）]；σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)或黑體輻射常數(shù)，σ=5.67×10-8W/（m2·k4）；ε1，ε2分別是爐腔和PCB及其組件上某一點(diǎn)的發(fā)射系數(shù)；T1為爐腔壁的絕對(duì)溫度（單位：K）；T2為PCB及其組件上某一點(diǎn)的絕對(duì)溫度（單位：K）。

將對(duì)流和輻射所轉(zhuǎn)化的對(duì)流系數(shù)相加即得到疊加后的對(duì)流系數(shù)

2 有限元模型

2.1 無(wú)工裝時(shí)PCB組件的有限元模型

無(wú)工裝添加時(shí)的PCB組件三維有限元模型如圖2所示，PCB板外形尺寸為450 mm×300 mm×2 mm。文中對(duì)模型進(jìn)行了合理簡(jiǎn)化，選用六塊PLCC貼裝元件，忽略元器件的焊點(diǎn)和引腳，并將銅質(zhì)線路簡(jiǎn)化為兩層銅箔來(lái)近似表示，下底板銅箔厚度0.168 mm，貼裝元器件的一側(cè)銅箔厚度0.168 mm，中間FR-4的厚度為 1.664 mm。無(wú)鉛焊料選用 Sn3.5Ag0.75Cu[4]。使用Solid70單元對(duì)模型進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格尺寸大小取值為0.008 m，共11590個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 PCB組件有限元模型

2.2 添加工裝時(shí)PCB組件的有限元模型

托盤(pán)工裝材料是7075鋁合金，外形尺寸480 mm×366 mm，其腔體內(nèi)有部分被挖空，有利于輻射對(duì)流的熱傳遞。工裝的三維幾何模型如圖3所示，研究基于工裝的無(wú)鉛焊料回流焊過(guò)程仿真分析時(shí)，需要將PCB組件通過(guò)回流焊接時(shí)放置在托盤(pán)工裝的腔體內(nèi)，該網(wǎng)格劃分與無(wú)工裝添加時(shí)相同，共有22895個(gè)節(jié)點(diǎn)，圖4為添加工裝后PCB組件的三維有限元模型。

（1）Cu箔的熱參數(shù)。

根據(jù)Incropera FP and DP DeWitt[5]在1990年發(fā)表的論文Fundamentals of Heat and Mass Transfer中的數(shù)據(jù)確定，Cu箔的熱參數(shù)如表1所示。

表1中的k、cp為

圖3 托盤(pán)工裝的仿真模型

圖4 基于工裝的PCB組件有限元模型

表1 Cu箔的熱參數(shù)

根據(jù)式（4）、式（5）計(jì)算出銅箔在不同溫度下的比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)，如表2所示。

（2）FR-4的熱參數(shù)。

表2 Cu箔在不同溫度下的熱容和導(dǎo)熱系數(shù)

根據(jù)Sarvar F and PP Conway[6]等在1998年發(fā)表的文章 Effective modeling of the reflow process：Use of a modeling tool for product and process design中的數(shù)據(jù)，整理得到FR-4的熱參數(shù)列于表3。FR-4在不同溫度下的比熱容見(jiàn)表4。

（3）PLCC的熱參數(shù)如表5、表6所示。

（4）Sn3.5Ag0.75Cu 的熱參數(shù)如表 7 所示。

（5）7075鋁合金的熱參數(shù)如表8所示。

表3 FR-4的熱參數(shù)

表4 FR-4在不同溫度下的比熱容

表5 元器件PLCC的熱參數(shù)

表6 元器件PLCC在不同溫度下的比熱容

表7 無(wú)鉛焊料Sn3.5Ag0.75Cu的熱參數(shù)

3 仿真方法

3.1 無(wú)工裝時(shí)PCB組件仿真方法

回流焊爐加熱部分為十個(gè)爐段，每個(gè)爐區(qū)長(zhǎng)度為650 mm。每個(gè)溫區(qū)的設(shè)置如表9所示。

傳送帶的傳動(dòng)速度為650 mm/min，PCB組件完全進(jìn)入某個(gè)爐區(qū)的時(shí)間為41.5 s，PCB組件在每個(gè)爐區(qū)中停留的時(shí)間為60 s，PCB組件從第n-1爐區(qū)進(jìn)入第n爐區(qū)的加載示意如圖5所示，其中不同的顏色代表加載的溫度不同。

表8 7075鋁合金的熱參數(shù)[7]

表9 十溫區(qū)爐溫設(shè)置

圖5 回流焊過(guò)程示意

在ANSYS中，熱載荷可以加載到節(jié)點(diǎn)上或者面上，在模擬仿真分析中，熱載荷是加載在節(jié)點(diǎn)上的。如果網(wǎng)格劃分的很細(xì)，就可以通過(guò)坐標(biāo)選擇節(jié)點(diǎn)，很容易得到需要施加載荷的節(jié)點(diǎn)。本研究中所加的載荷是修正后的對(duì)流載荷。

移動(dòng)載荷的加載是通過(guò)APDL語(yǔ)言中的循環(huán)語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)的：在求解時(shí)先要確定每一個(gè)時(shí)刻載荷的位置和大小，這就需要將PCB組件用APDL語(yǔ)言劃分為不同的材料區(qū)間，對(duì)每一個(gè)區(qū)間每個(gè)時(shí)刻施加不同的溫度，隨著載荷位置的移動(dòng)，不同的溫度和對(duì)流系數(shù)就會(huì)加載到不同的材料區(qū)間，當(dāng)載荷移動(dòng)到下一個(gè)載荷步時(shí)，上一個(gè)載荷步的載荷就被刪除。PCB組件完全加載后如圖6所示。

圖6 PCB組件溫度加載

3.2 添加工裝時(shí)PCB組件仿真方法

添加工裝的PCB組件溫度場(chǎng)分析與無(wú)工裝添加時(shí)的溫度場(chǎng)分析設(shè)置相同，只是加入工裝的相關(guān)參數(shù)。

4 仿真結(jié)果和分析

4.1 無(wú)鉛焊料溫度場(chǎng)分布云圖

為了分析無(wú)鉛焊料的的溫度場(chǎng)變化趨勢(shì)，將六塊焊料的溫度場(chǎng)分布單獨(dú)列出，如圖7所示。

圖7 不同時(shí)刻的無(wú)鉛焊料溫度場(chǎng)分布

回流區(qū)結(jié)束時(shí)無(wú)鉛焊料Sn3.5Ag0.75Cu溫度場(chǎng)中的最低溫度為261.96℃，最高溫度為269.862℃，超過(guò)了無(wú)鉛焊料的熔點(diǎn)溫度（217℃）20℃～40℃的范圍，雖然能使得焊料充分的熔化，但是過(guò)高的回流溫度會(huì)導(dǎo)致焊料熔化過(guò)度、焊接不良等缺陷。

4.2 無(wú)工裝時(shí)PCB組件特殊節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化情況

PCB板上四個(gè)PLCC引腳處附件的節(jié)點(diǎn)5165、5426、5559、5711（這些節(jié)點(diǎn)在PCB組件中的位置如圖8所示）的溫度曲線如圖9所示。

圖8 無(wú)工裝時(shí)溫度曲線所取節(jié)點(diǎn)的位置

圖9 節(jié)點(diǎn)隨時(shí)間變化的溫度曲線

由圖9可知，節(jié)點(diǎn)在回流焊過(guò)程中的溫度曲線比較符合回流焊實(shí)際溫度曲線的要求，即在預(yù)熱階段快速升溫，在保溫階段升溫變得較為緩慢，在回流區(qū)溫度快速升高。由于本研究的PCB板是大尺寸板，采用的爐溫設(shè)置是十溫區(qū)回流焊爐，對(duì)比上圖得出爐區(qū)設(shè)置為十溫區(qū)時(shí)，PCB組件的溫度變化相對(duì)平緩，這樣有利于焊料的充分熔化，充分說(shuō)明了十溫區(qū)回流爐的優(yōu)勢(shì)所在。

4.3 添加工裝時(shí)PCB組件特殊節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化情況

為了與無(wú)工裝PCB組件回流焊溫度場(chǎng)仿真結(jié)果對(duì)比，無(wú)鉛焊料熔化范圍是重點(diǎn)考慮的因素，所以此處選取焊料附近靠近PLCC引腳處的節(jié)點(diǎn)18150和節(jié)點(diǎn)19074（見(jiàn)圖10）與無(wú)工裝時(shí)相同位置的節(jié)點(diǎn)不同時(shí)刻的溫度作為對(duì)比，分析加工裝后的溫度變化趨勢(shì)。

將圖8的節(jié)點(diǎn)5711、5595與圖9的節(jié)點(diǎn)18150、19074不同時(shí)刻的溫度變化趨勢(shì)作對(duì)比分析，如圖11和圖12所示。

圖11 無(wú)工裝和有工裝節(jié)點(diǎn)5711和18150不同時(shí)刻的溫度曲線

圖12 無(wú)工裝和有工裝節(jié)點(diǎn)5595和19074不同時(shí)刻的溫度曲線

觀察圖11和圖12可知，對(duì)于無(wú)工裝添加的PCB組件和有工裝的PCB組件相近位置的節(jié)點(diǎn)不同時(shí)刻的溫度進(jìn)行分析，添加工裝后同一時(shí)刻相近節(jié)點(diǎn)（位于PLCC焊料附近）的溫度低于無(wú)工裝相近節(jié)點(diǎn)的溫度15℃～20℃，回流區(qū)結(jié)束630 s時(shí)，有工裝的節(jié)點(diǎn)溫度約為245℃，在無(wú)鉛焊料熔點(diǎn)溫度（217℃）20℃～40℃的范圍，焊料在這個(gè)溫度內(nèi)能夠充分熔化，實(shí)現(xiàn)元器件與PCB基板的良好機(jī)械和電氣連接。

5 結(jié)論

（1）針對(duì)十溫區(qū)（包括五個(gè)溫區(qū)的預(yù)熱區(qū)，三個(gè)溫區(qū)的保溫區(qū)以及兩個(gè)溫區(qū)的回流區(qū)）回流焊接爐工藝過(guò)程，通過(guò)簡(jiǎn)化托盤(pán)工裝和PCB板的元器件，采用輻射和對(duì)流邊界條件修正對(duì)流系數(shù)，建立了包括工裝和PCB組件（包括銅箔、FR4、PLCC以及焊料）的三維有限元模型。

（2）無(wú)工裝時(shí)選取了PCB組件上六個(gè)代表性節(jié)點(diǎn)，模擬其在回流焊過(guò)程中的溫度曲線變化趨勢(shì)，充分說(shuō)明了十溫區(qū)爐區(qū)設(shè)置的優(yōu)點(diǎn)。只是設(shè)置為此種參數(shù)時(shí)，回流區(qū)的溫度高于無(wú)鉛焊料的熔化溫度，會(huì)造成元器件過(guò)熱。添加工裝后，PCB組件相近位置節(jié)點(diǎn)同一時(shí)刻的溫度小于未添加工裝的節(jié)點(diǎn)溫度約15 ℃～20 ℃，這樣的溫度在無(wú)鉛焊料Sn3.5Ag0.75Cu的熔化溫度217℃（20℃～40℃）內(nèi)，能夠充分熔化無(wú)鉛焊料，保證元器件和PCB基板實(shí)現(xiàn)可靠的電氣和機(jī)械連接。

[1]羅道軍.綠色電子組裝技術(shù)與案例研究[M].廣州：工業(yè)和信息化部電子第五研究所，2011.

[2]熊勝虎，黃 卓，田民波.電子封裝無(wú)鉛化的趨勢(shì)及瓶頸[J].半導(dǎo)體行業(yè)，2004（8）：29-31.

[3]黃丙元.SMT再流焊溫度場(chǎng)的建模與仿真[D].天津：天津大學(xué)，2005.

[4]Masazumi Amagai，Masako Watanabe，Masaki Omiya，et al.Mechanical characterization of Sn-Ag based lead-free solders[J].Microelectronics Reliability，2002（42）：951-966.

[5]Incropera F.P.，DeWitDP.Fundamentals of Heat and Mass Transfer[M].New York：Wiley and Sons，2007.

[6]Savrar F.Eeffctive modeling of the reflow soldering process：use of a modeling tool for product and process design[J].IEEE Trans on Component，Packaging，and Manuafcutring Technology-partc，1998，21（3）：165-171.

[7]黃 遐，曾元松.7075鋁合金蠕變失效成形過(guò)程數(shù)值模擬[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2010，17（6）：51-53.