郭 瑜，孫志禮，馬小英，劉明賀

(1.東北大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，沈陽 110819； 2.沈陽建筑大學(xué) 機械工程學(xué)院，沈陽 110168)

【機械制造與檢測技術(shù)】

考慮PCBA翹曲失效的回流焊工藝制程分析

郭 瑜1，孫志禮1，馬小英1，劉明賀2

(1.東北大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，沈陽 110819； 2.沈陽建筑大學(xué) 機械工程學(xué)院，沈陽 110168)

針對印制電路板組件(PCBA)在回流焊工藝中的主要失效形式翹曲失效，應(yīng)用虛擬實驗技術(shù)進(jìn)行PCBA回流焊工藝仿真，研究PCBA翹曲失效及其影響因素；基于ANSYS軟件建立了回流焊虛擬實驗平臺，模擬PCBA的回流焊工藝流程，并對其溫度場與位移場進(jìn)行分析，確定PCBA在回流焊工藝中的受熱變化規(guī)律，進(jìn)而計算PCBA翹曲度，并分析各影響因素的對翹曲度的影響程度；研究結(jié)果表明：PCBA翹曲量隨PCBA熱膨脹系數(shù)、溫區(qū)7溫度的增大而增大，隨印制電路板(PCB)厚度、傳輸帶速的增加而減小。

PCBA；回流焊；虛擬實驗；位移場；翹曲

隨著電子產(chǎn)品向高密度，微型化的方向發(fā)展，印制電路板組件(Printed Circuit Board Assemblies,PCBA)的設(shè)計及制造工藝也呈現(xiàn)出高復(fù)雜度和多樣化，這對保證PCBA品質(zhì)及可靠性提出了挑戰(zhàn)。表面貼裝技術(shù)(Surface Mount Technology，SMT)是目前電子產(chǎn)品的主要生產(chǎn)方式。作為SMT的關(guān)鍵步驟，回流焊工藝決定著PCBA的最終品質(zhì)及可靠性，因此對回流焊工藝及產(chǎn)品品質(zhì)控制的研究具有較強的工程實用價值[1-3]。回流焊工藝對PCBA品質(zhì)影響主要體現(xiàn)在對焊膏溫度曲線的控制及PCBA翹曲失效等方面?；亓骱笢囟惹€受焊膏特性、回流焊參數(shù)設(shè)定值、產(chǎn)品組態(tài)與回焊方法等的綜合影響，具有多樣性與高度復(fù)雜性[4]，因此生產(chǎn)前需預(yù)先設(shè)定PCBA回流焊溫度曲線[5]。

由于各原材料間熱膨脹系數(shù)不匹配、材料的拉伸與剪切以及生產(chǎn)過程中形成的殘留熱應(yīng)力和機械應(yīng)力，經(jīng)過回流焊工藝后的PCBA會發(fā)生不同程度的翹曲[6]。PCBA的翹曲不僅容易造成連接元器件與電路板之間的焊點失效，同時也易使芯片內(nèi)產(chǎn)生而開裂損壞[7]。因此，對PCBA的翹曲進(jìn)行有效的控制是提高產(chǎn)品品質(zhì)及可靠性的重要途徑[8-9]。鑒于無鉛焊膏在PCBA上的應(yīng)用已成為電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個必然趨勢[10]，而相對于傳統(tǒng)的鉛錫合金回流焊，無鉛回流焊工藝有著更為嚴(yán)格的溫度控制要求，在此以PCBA作為研究對象，基于有限元仿真技術(shù)建立回流焊傳熱溫度場數(shù)學(xué)模型，對PCBA加熱過程中溫度曲線及其翹曲度進(jìn)行研究，揭示影響翹曲度的關(guān)鍵因素。為進(jìn)一步的產(chǎn)品可靠性分析提供研究基礎(chǔ)。

1 回流焊溫度場數(shù)學(xué)模型

目前常用的回流爐為6～12個加熱爐區(qū)和1～2個冷卻爐區(qū)組成，本文以昆山市某企業(yè)生產(chǎn)線所應(yīng)用的10爐區(qū)(8個加熱區(qū)與2個冷卻區(qū))紅外熱風(fēng)回流焊機為例進(jìn)行建模及分析。通過對每個溫區(qū)設(shè)置不同的溫度，使焊膏充分融化再重新黏結(jié)，實現(xiàn)元件與基板的連接?；亓鳡t加熱過程如圖1所示。

圖1 SMT回流爐示意圖

1.1 導(dǎo)熱微分方程及邊界條件的確定

回流焊過程可以認(rèn)為是一個材料熱物性隨著溫度劇烈變化的非線性瞬態(tài)問題，物體內(nèi)的溫度場由其通用方程及導(dǎo)熱微分方程一般形式描述[11]：

(1)

1.2 溫度場數(shù)學(xué)模型建立

回流焊工藝的導(dǎo)熱方式通常有3種，分別為熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。紅外熱風(fēng)回流焊機進(jìn)行回流焊加工的傳熱方式主要是對流和輻射。因此，首先考慮對流傳熱對PCBA的影響，根據(jù)牛頓冷卻公式可知，流體被加熱時，有

qconv=hc(tw-tf)

(2)

式(2)中，qconv為單位面積的對流傳導(dǎo)熱量(J/m2)；hc為對流傳熱系數(shù)[J/(m2K)]；tw為膛爐內(nèi)的絕對溫度；tf為PCBA上某一點的絕對溫度(K)。

回流焊工藝的邊界條件為輻射時，根據(jù)熱輻射傳熱公式得到單位面積上的傳熱方程。為了便于工程計算，把輻射傳熱換算為對流傳熱，寫成牛頓冷卻公式的形式為

qrad=hr(tw-tf)

(3)

式(3)中，hr為經(jīng)過輻射轉(zhuǎn)換的對流傳熱系數(shù)[J/(m2·K)]。

將總的對流換熱系數(shù)h表示為

h=hc+hr

(4)

這樣，邊界所施加到單位體積上的總熱量為

q=h(tw-tf)

(5)

2 PCBA熱-結(jié)構(gòu)耦合仿真研究

2.1 PCBA有限元模型建立及加載

PCBA主要組成部分為基板(FR-4，即環(huán)氧玻璃布層壓板)、各種封裝形式的元器件(SOC、QFP、PLCC、BGA等)與焊膏等。在有限元建模過程中，由于PCBA結(jié)構(gòu)復(fù)雜，將PCBA模型進(jìn)行了部分簡化。如PCBA實際的銅箔層經(jīng)過蝕刻處理形成導(dǎo)線，布線的形狀復(fù)雜且差異很大，因此建模過程中用覆蓋在整個印制電路板(Printed Circuit Board,PCB)上的銅箔模擬布線。PCBA有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 PCBA幾何模型及網(wǎng)格劃分

圖2中1為PLCC，2為PBGA，3為PBGA。以10溫區(qū)回流焊爐為例進(jìn)行仿真，并按PCBA進(jìn)入各個溫區(qū)的時間加載對流換熱系數(shù)。每個爐區(qū)的長度定為500 mm。每個溫區(qū)溫度設(shè)置如表1。傳送帶的傳動速度為850 mm/min。

表1 回流焊爐區(qū)溫度設(shè)置

根據(jù)回流焊工藝的特點，在仿真過程中，將熱載荷(熱流密度)加載在節(jié)點上，并分別對PCBA底面的4個頂點進(jìn)行約束。由于ANSYS對輻射傳熱計算比較復(fù)雜，因此將輻射載荷換算為對流換熱載荷并對PCBA進(jìn)行加載求解。PCBA各部件的物理狀態(tài)及性質(zhì)均不同，因此，相應(yīng)地其對流換熱系數(shù)不同。

2.2 PCBA焊膏溫度場仿真及分析

經(jīng)PCBA回流焊溫度場仿真，得到不同材料與尺寸元器件對應(yīng)焊膏溫度隨時間變化曲線，如圖3所示。由圖3可知，不同元器件對應(yīng)焊膏溫度曲線雖存在一定差異，但溫度變化趨勢基本相同。即在預(yù)熱階段PCBA焊膏快速升溫，在活性區(qū)階段并未像有鉛焊膏溫度曲線一樣升溫緩慢，而是溫升仍逐漸升高，這是由于無鉛焊膏的材料特性。在第7溫區(qū)，由于基板上有較大元件的存在，焊膏溫度并未達(dá)到其回流溫度，因此在第8溫區(qū)依然保持高溫，使沒有達(dá)到回流溫度的焊膏完成回流工藝，最高溫度為238℃。在PCBA離開回流爐之前必須使焊膏冷卻固化，因此在冷卻階段，焊膏溫度迅速降低。

圖3 焊膏隨時間變化的溫度曲線

圖3中1為PLCC，2為PBGA，3為PBGA。由前文分析可知，PCBA無鉛焊膏溫度曲線是影響其品質(zhì)及可靠性的重要因素。目前，JEDEC標(biāo)準(zhǔn)已對PCBA焊膏溫度曲線進(jìn)行了要求。由表2可知，回流焊溫度特征值仿真結(jié)果均在JEDEC標(biāo)準(zhǔn)要求范圍之內(nèi)。通過與某企業(yè)生產(chǎn)實測值對比發(fā)現(xiàn)，仿真特征值與實測值之間雖略有偏差，但其誤差在允許范圍內(nèi)，這主要是由元器件模型的簡化及仿真過程與實際工況的差異引起的。由此可知，通過回流焊溫度場仿真可對PCBA焊膏溫度曲線進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而對產(chǎn)品的品質(zhì)與可靠性進(jìn)行評價。通過調(diào)整在線參數(shù)設(shè)置以保證溫度曲線在誤差允許范圍，即使產(chǎn)品滿足品質(zhì)要求，這是控制PCBA品質(zhì)及可靠性的有效方法。

2.3 PCBA位移場仿真及分析

由圖4可以看出，PCBA通過預(yù)熱區(qū)時，變形量由0增大到0.576 mm，這是由于預(yù)熱區(qū)升溫速率較快，并且PCBA各部分的導(dǎo)熱系數(shù)不同，進(jìn)入溫區(qū)的時間也不同，因此造成溫度不均勻，各部分溫度差異大，導(dǎo)致翹曲變形產(chǎn)生。PCBA通過活性區(qū)時，變形量由0.576 mm增大到1.277 mm，在此區(qū)間雖然PCB、銅箔及各部件的熱膨脹系數(shù)存在差異，但是由于保溫時間長，升溫速率小，PCBA的溫度分布趨于均勻，變形速率有所降低。隨著PCBA進(jìn)入回流區(qū)，爐溫到達(dá)最高溫度，使得基板和銅箔的熱膨脹系數(shù)的差異達(dá)到最大，從而導(dǎo)致PCBA的變形量達(dá)到最大，從1.277 mm增大到1.32 mm。最后PCBA經(jīng)歷的冷卻區(qū)，此時由于爐溫迅速下降，基板與銅箔的熱膨脹系數(shù)差異逐漸減小，因此PCBA的變形量也變小，由最大值降至0.964 mm。

表2 回流焊特征值仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比

圖4 PCBA隨時間變化的位移場云圖

PCBA發(fā)生翹曲變形的實質(zhì)主要是由于PCB板中FR-4、銅箔與其他元件之間的熱膨脹系數(shù)不同，以及PCBA在加熱過程中溫度分布不均勻，使得FR-4、銅箔等元件的膨脹和收縮受到約束，進(jìn)而產(chǎn)生熱應(yīng)力，PCBA底面及表面的應(yīng)力差導(dǎo)致其在回流焊過程中的翹曲變形。因此，合理選擇熱膨脹系數(shù)的材料是控制變形量的主要途徑。結(jié)合溫度場分析結(jié)果可以看出，PCBA的熱變形與溫度場具有相似的變化趨勢，其變形量隨著溫度的升高呈非線性增加，當(dāng)PCBA達(dá)到峰值溫度時，變形最大。

3 PCBA翹曲量與翹曲度計算

根據(jù)IPC6012標(biāo)準(zhǔn)和一般電子產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)規(guī)定，翹曲度的允許范圍通常為0.70%～0.75%。因此，本文取PCBA許用翹曲度[Q]為0.75%。同時，考慮FR-4材料的強度，取材料許用應(yīng)力[σ]為340 MPa[7]。

PCBA在溫度載荷作用下的翹曲度和應(yīng)力需滿足如下剛度和強度的要求：

Q≤[Q]， σ≤[σ]

以Mises準(zhǔn)則為屈服準(zhǔn)則，翹曲度計算公式為

(6)

其中，Q為翹曲度；w為翹曲值；L為PCBA結(jié)構(gòu)表面對角線長度。

通過仿真得出PCBA在回流焊工藝中的Z方向總翹曲量，并計算翹曲度，如表3所示。

表3 PCBA在Z方向最大翹曲量及翹曲度

由表3可以看出，在回流焊工藝中，PCBA變形是隨著溫區(qū)溫度增加而增加的，這與位移云圖趨勢相符。但PCBA翹曲度最高值并未出現(xiàn)在溫區(qū)7中，這主要是因為當(dāng)PCBA進(jìn)入該溫區(qū)中，由于PCBA中不同材料的元件存在及回流時間較短，導(dǎo)致溫度并未達(dá)到最高。當(dāng)進(jìn)入溫區(qū)8時，由于回流時間充分及PCBA受熱均勻，使溫度達(dá)到最高，進(jìn)而導(dǎo)致了翹曲度最高值在該溫區(qū)出現(xiàn)。當(dāng)PCBA經(jīng)過回流區(qū)時，過大的變形可能會導(dǎo)致PCBA中元器件開裂等導(dǎo)致PCBA失效，由此可以認(rèn)為合理控制峰值溫度所在溫區(qū)的溫度，是降低翹曲失效的必要措施。

4 PCBA翹曲量影響因素分析

由以上分析可知，材料熱膨脹系數(shù)和回流爐最高溫度是產(chǎn)品翹曲的重要原因，此外，傳輸帶速控制著PCBA在各溫區(qū)停留的時間，而基板厚度對翹曲量也有一定影響。由此可以確定影響PCBA變形的主要因素有：傳輸帶速v、溫區(qū)7溫度T7、PCB厚度D及PCB熱膨脹系數(shù)b。利用有限元模型計算每個影響因素不同值的PCBA變形量，結(jié)果如圖5所示。通過計算回流焊工藝中不同參數(shù)設(shè)置下的翹曲量可以對影響PCBA翹曲的因素進(jìn)行分析。

由圖5可知，PCBA翹曲量隨PCB厚度D、傳輸帶速v的增加而減小，隨PCB熱膨脹系數(shù)b、溫區(qū)7溫度T7的增大而增大。這是因為當(dāng)PCB厚度增加時，其散熱效果更加良好，由表3可知，PCBA翹曲量在回流焊冷卻階段是逐漸減小的，因此在良好的冷卻條件下，PCBA的翹曲量變小。當(dāng)PCB熱膨脹系數(shù)增加時，將使得其與銅箔之間的熱膨脹系數(shù)之間的不匹配更加突出，造成PCBA翹曲量變大。當(dāng)傳輸帶速增加時，PCBA在回流區(qū)的時間變短，PCB處于玻璃轉(zhuǎn)化溫度以上的時間較短，因此減少PCBA由于自身屬性導(dǎo)致的翹曲變形。當(dāng)溫區(qū)7溫度增加時，回流焊溫度曲線的峰值溫度提高，將會使基板熱膨脹系數(shù)與銅箔熱膨脹系數(shù)的差異進(jìn)一步加大，從而造成PCBA翹曲量增大。

圖5 翹曲量影響因素分析

5 結(jié)論

對PCBA回流焊工藝溫度場進(jìn)行分析，預(yù)測無鉛焊膏溫度曲線，與PCBA焊膏溫度曲線要求規(guī)范及實測值進(jìn)行對比，結(jié)果表明：回流焊溫度場仿真是預(yù)測PCBA焊膏溫度曲線的可行方法。

對回流焊過程中PCBA位移場研究發(fā)現(xiàn)，控制PCBA峰值溫度及材料熱膨脹系數(shù)的合理選擇是抑制其翹曲失效的有效途徑。PCBA翹曲量隨PCB厚度D、傳輸帶速v的增加而減小，隨PCB熱膨脹系數(shù)b、溫區(qū)7溫度T7的增大而增大。

[1] TSAI M Y,CHEN Y C,LEE S W.Comparison between experimental measurement and numerical analysis of warpage in PBGA package and assembly with the consideration of residual strain in the molding compound[C].International Conference on Electronic Materials and Packaging,2006:1-8.

[2] TSAI T N.Development of a soldering quality classifier system using a hybrid data mining approach[J].Expert Systems with Applications,2012,39(11):5727-5738.

[3] TSAI T N..A hybrid intelligent approach for optimizing the fine-pitch copper wire bonding process with multiple quality characteristics in IC assembly [J].Journal of International Manufacture,2014(5):177-192.

[4] TONG J,TSUNG F,YEN B.A DMAIC approach to printed circuit board quality improvement [J].International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2004,23(7/8):523-531.

[5] GAO J G,WU Y P,DING H.Thermal profiling:a reflow process based on the heating factor [J].Soldering & Surface Mount Technology,2008(4):20-27.

[6] 陶仁君,孫忠新,董麗玲.印制板翹曲度分析及其測試方法[J].印制電路信息,2012(1):56-60.

[7] 吳許杰,牛忠榮,劉凱.印刷電路板設(shè)計參數(shù)對其翹曲影響的分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2013,36(8):954-958.

[8] HUERTAS L,CONWAY P,WHALLEY D,et al.Deployment of a reflow process model to support quality and reliability in PCA manufacturing [C].12th Electronics Packaging Technology Conference,Singapore,2010:315-320.

[9] LAU C S,ABDULLAH M Z.Three-dimensional thermal investigations at board level in a reflow oven using thermal-coupling method [J].Soldering & Surface Mount Technology,2012,24(3):167-182.

[10]MA H T,JEFFREY C.A review of mechanical properties of lead-free solders for electronic packaging [J].Journal of Material Science.2009,44(7):1141-1158.

[11]黃丙元,孫桂珍,張同嶺.SMT溫度場的數(shù)學(xué)模型[J].電子工藝技術(shù),2005,26(6):333-335.

(責(zé)任編輯唐定國)

Reflow Process Analysis Considering Warping Failure for PCBA Manufacturing

GUO Yu1, SUN Zhi-li1, MA Xiao-ying1, LIU Ming-he2

(1.School of Mechanical Engineering and Automation, Northeastern University, Shenyang 110819, China;2.School of Mechanical Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China)

During the re-flow process for PCBA manufacturing, the main failure mode is warpage. To investigate this issue, application of virtual experiment technology was used for PCBA re-flow process simulation. Then study was carried out for PCBA warping failure and its influencing factors. Firstly, virtual experiment platform for re-flow process was set up based on ANSYS software so as to simulate the manufacturing process. Then the temperature field and the displacement field were studied to determine PCBA’s thermal variation and main factors in the re-flow process. Further, the warpage of PCBA was calculated. The results show that the warpage increases with the increases of PCBA thermal expansion coefficient and temperature of the 7th zone. While the warpage goes down with the increases of PCB thickness and the transmission belt speed.

PCBA; re-flow process; virtual test; displacement field; warpage

2016-07-18；

2016-09-15

中央高?；究蒲袉踊?N140303011)

郭瑜(1985—),女,博士，主要從事機械可靠性工程與質(zhì)量控制研究。

10.11809/scbgxb2017.01.036

郭瑜，孫志禮，馬小英，等.考慮PCBA翹曲失效的回流焊工藝制程分析[J].兵器裝備工程學(xué)報，2017(1):158-162.

format:GUO Yu, SUN Zhi-li, MA Xiao-ying,.et al.Reflow Process Analysis Considering Warping Failure for PCBA Manufacturing[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(1):158-162.

TN41

A