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        帶有一排針孔連接器的PCB熱翹曲分析

        2014-03-05 07:49:18聞春國
        機(jī)電元件 2014年1期
        關(guān)鍵詞:有限元模型

        聞春國 譯

        (四川華豐企業(yè)集團(tuán)有限公司,四川綿陽621000)

        1 引言

        印制電路板(PCB)的熱機(jī)械分析一直是各種元件性能分析和數(shù)值研究的主題,例如采用一種有限元模型方法對PCB各層熱膨脹系數(shù)失配影響進(jìn)行研究。為此,我們建立了針孔組件中連接器插針的熱感應(yīng)變形和鍍孔周圍的應(yīng)力模型,并進(jìn)行相關(guān)分析。目前,人們?yōu)槲床暹B接器以及配有表面安裝元件的PCB熱翹曲建立了相應(yīng)的模型。

        本研究項(xiàng)目旨在開發(fā)一種可以預(yù)測PCB組件(PCBA)的熱機(jī)械特性。這種PCB組件由3個(gè)主要元件組成:一排帶有磷青銅插針的熱塑性針孔(PTH)連接器、由替代層銅薄片和FR-4玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合層組成的PCB板以及焊接的針孔連接頭。在制造過程中,將安裝在PCB上的針孔連接器組件熔融、預(yù)熱,并以一個(gè)較小的仰角通過熔融焊劑一個(gè)補(bǔ)充的駐波進(jìn)行傳送。PCB組件的熱轉(zhuǎn)移與波的接觸面積、溫度和轉(zhuǎn)移速度成正比。由于加熱作用的不均勻性,PCB組件的幾何形狀及組件中各個(gè)元件熱機(jī)械特性的不同,PCB組件中產(chǎn)生一定的殘存應(yīng)變,并可能導(dǎo)致在插針連接中產(chǎn)生過大的翹曲和應(yīng)力。

        本文的目的旨在利用有限元分析法(FEA)對PCB組件在波焊過程中的熱機(jī)械特性建立一種模型,并對作為各種PCB和連接器材料特性函數(shù)的總體PCB組件翹曲進(jìn)行相關(guān)研究。

        2 有限元模型

        所有模型的建立和分析均采用運(yùn)行于Silicone Graphics Challenge L工作站的ANSYS 5.3有限元軟件來完成。

        該組件的幾何形狀為沿著PCB平面的兩軸(見圖1(a))對稱分布,因此只需要將實(shí)際組件的1/4部分建立模型即可。在波焊過程中,印制電路板沿著邊緣在幾個(gè)點(diǎn)位夾持于一塊鈦鋁合金托板上(見圖1(a)),連接器垂直方向的翹曲變形也得到有效的抑制。實(shí)際組件上的翹曲測定顯示它只出現(xiàn)在x-y平面上(見圖1(b))。這是由于其外形的對稱性以及工藝加熱的均勻特性所決定的。因此,PCB組件的變形可以采用穿過其中一個(gè)連接器的二維剖面來建立相關(guān)的模型,參見圖1(a)和圖1(b)。因此,有限元模型由通過一排50插針(實(shí)際連接器有200個(gè)插針,分4排排列,每排50個(gè)插針)與連接器相連接的PCB組成。PCB模型長為185mm,厚度為1.57mm,其針孔直徑為0.81mm,而連接器模型長為161.3mm,厚度為5.8mm,插針的截面積為0.41mm×3mm。將連接器定位在PCB板上(實(shí)際上,這些連接片位于連接器插針的中間兩排)的兩個(gè)塑料連接片,參見圖1(b)。

        圖1(b)的幾何外形采用二維、8個(gè)節(jié)點(diǎn)、平面應(yīng)力和四邊形結(jié)構(gòu)元的ANSYS 5.3進(jìn)行離散分析。其網(wǎng)格由1443個(gè)元和5549個(gè)節(jié)點(diǎn)組成,參見圖1(a)和圖1(b)。它代表4種材料:印制電路板、連接器、插針和焊料。

        PCB和連接器(圖3(a))在整個(gè)波焊過程中的臨界溫度曲線采用與一個(gè)數(shù)據(jù)記錄器相連接的熱電偶來測定。將兩個(gè)熱電偶放置于連接器中(嵌入連接器的上端和下端),另外3個(gè)熱電偶嵌入PCB板中(上端、中心部位和下端)。PCB板中的溫度變化梯度可以忽略不計(jì)(見圖3(a)),而連接器中的溫度則在上、下端之間呈現(xiàn)出線性變化規(guī)律。由圖3(a)可以看出,在波焊過程中的某一給定時(shí)間,連接器和PCB的溫度是不同的。尤其是,PCB的溫度開始下降后,連接器的溫度卻繼續(xù)上升。此外,我們還觀察到,如果PCB在進(jìn)行波焊處理時(shí)沒有加裝連接器的話,就會(huì)出現(xiàn)零翹曲現(xiàn)象。這一點(diǎn)也值得注意。

        這一模型分4個(gè)步驟完成,分別對應(yīng)于實(shí)際波焊過程中的4個(gè)階段,即預(yù)熱和熔融焊料的施加、冷卻使焊料固化、從焊機(jī)排出后即進(jìn)行冷卻以及拆除夾具。所測得的溫度(圖3(a))確定每個(gè)步驟(圖3(b))所采用的溫度,將從一個(gè)步驟到下一個(gè)步驟的溫度變化作為一條線性上升線建立其相關(guān)模型。

        我們可以假定該組件在室內(nèi)溫度下(20℃)不存在任何殘存應(yīng)力。利用x-方向的對稱性(圖1(a))將波焊4個(gè)步驟中的零水平位移(x方向)強(qiáng)加于模型的左端。在步驟1~3中,連接器應(yīng)固定于PCB板兩個(gè)塑料連接片的位置(圖1(b))。在步驟1~3中,夾具夾持著PCB組件,并約束PCB底面和連接器上端,使之只沿著水平方向(x方向)移動(dòng),參見圖3(a)和圖1(b)。在第4步驟中,拆去夾具,只保留右下端的節(jié)點(diǎn)使其只沿著水平方向(x方向)移動(dòng),而其垂直方向(y方向)的運(yùn)動(dòng)則受到約束。這就使得模型的左端相對于受約束的右下角發(fā)生最終縱向變形。

        圖1 (a)PCBA平面圖顯示焊接過程中連接器的布局和所用夾具的位置;垂直于中心線的虛線表示可由模型表示的部分;(b)表示圖1(a)中虛線的剖面圖以及夾具和熱電偶位置

        有限元分析法的第一步就是PCB組件的預(yù)熱和焊劑的添加,使之填充于PCB孔和連接器插針之間的空間。在這一步驟中,可以用"死的"單元(其剛度可忽略不計(jì))來表示熔融的焊料,使得插針可以在PCB孔內(nèi)產(chǎn)生不受約束的相對運(yùn)動(dòng)。

        有限元分析法的第二步就是PCB板的冷卻和焊機(jī)中的焊料開始固化,但連接器溫度仍在上升,見圖3(a)。開始固化時(shí),這些"死的"單元被激活(在3個(gè)"負(fù)載步驟"中指定了一個(gè)有限剛度)。在隨后的步驟(3和4)中,這一剛度逐漸增大,以便將隨著溫度的降低而出現(xiàn)的焊料的模量增大建立一個(gè)模型(在3個(gè)步驟中,每個(gè)步驟其剛度均上升到一個(gè)新的值)。

        第三步是將來自波焊焊機(jī)的PCBA出口、連接器和PCB的冷卻過程建立一個(gè)相關(guān)模型。

        第四步是從夾具上拆除PCBA(電路板和連接器的垂直(y)約束),并最終冷卻至室內(nèi)溫度。

        圖2 .(a)圖1(b)中所示意的模型的有限元網(wǎng)格,(b)網(wǎng)格詳圖顯示單孔、焊料接和插針(1-連接器;2-插針;3-PCB;4-焊料)

        3 材料特性

        表1列出PCB、連接器和該模型中所用插針的特性。PCB和連接器的熱膨脹系數(shù)(CTE)采用一個(gè)TMA2940熱機(jī)械分析儀來測得,而其它所有特性則來自有關(guān)文獻(xiàn),或由制造廠家提供。這些特性可以視為與溫度(即低于有關(guān)聚合物的玻璃臨界溫度的某一合理的近似值)無關(guān)。在這一工藝過程中,實(shí)際溫度只是在一個(gè)較短的時(shí)間內(nèi)超過PCB的玻璃臨界溫度(Tg=158℃),見圖3(a)。此外,我們還可以從該模型中看出,約70%的翹曲變形發(fā)生在最后的冷卻階段,其溫度大大低于PCB板的玻璃臨界溫度。溫度較低時(shí),其機(jī)械特性對溫度的依賴性較弱。

        表1 PCB和插針熱機(jī)械特性以及連接器特性參數(shù)

        PCB可以看作一種線性彈性材料,在x和y方向具有不同的楊氏彈性模量值。連接器和插針可以作為勻質(zhì)和線性彈性材料來建立相關(guān)模型。其線性彈性特性在有關(guān)電路板特性模型中經(jīng)常使用,并在下列兩個(gè)因素分析研究中進(jìn)一步加以闡明:PCB在一個(gè)較短的時(shí)間內(nèi)超過其玻璃臨界溫度(Tg=158℃)(參見圖3(a));設(shè)計(jì)本模型旨在預(yù)測球狀翹曲和目前尚未具體說明的應(yīng)力狀態(tài)。

        焊料(含有63%重量錫和37%重量鉛)的熱機(jī)械特性見表2所列,并給出作為溫度函數(shù)的楊氏(彈性)模量。

        圖3 (a)波焊過程中的熱電偶讀數(shù);(b)該模型4個(gè)步驟所采用的溫度

        4 結(jié)果與討論

        圖4表示雙波峰焊接工藝后半個(gè)PCB組件預(yù)計(jì)的最終變形形狀。將預(yù)計(jì)的PCB組件最大翹曲與測得的最大翹曲(標(biāo)準(zhǔn)IPC-TM-650中方法2.4.22)進(jìn)行對比,其相對差值小于5%。此外,還對同一塊PCB板上的其它兩種連接器材料的翹曲測量值進(jìn)行比較,結(jié)果發(fā)現(xiàn):1)當(dāng)E=17Gpa,CTE=2.8×10-5℃-1時(shí),測得的最大翹曲與預(yù)計(jì)的最大翹曲之間的相對差值為8%;2)當(dāng)E=17Gpa,CTE=0.5×10-5℃-1時(shí),測得的最大翹曲與預(yù)計(jì)的最大翹曲之間的相對差值為6%。

        圖4 .發(fā)生最終變形的PCB組件,可以看出受應(yīng)力變形程度最高的插針

        通過對PCB組件每個(gè)元件的Von Mises應(yīng)力進(jìn)行相關(guān)檢測后發(fā)現(xiàn),焊料一般都是應(yīng)力最高的材料。特別是,鄰近兩個(gè)連接器連接片(圖1(b))的焊接點(diǎn)出現(xiàn)了最大的Von Mises應(yīng)力。不過,需要指出的是,本模型的主要目的還是測算PCBA翹曲的總體應(yīng)力。要準(zhǔn)確預(yù)測焊接點(diǎn)的最大應(yīng)力要求一個(gè)更為精細(xì)的網(wǎng)格,在可能情況下還需要提供更具體的與溫度有關(guān)的焊料機(jī)械特性和以及PCB和連接器的非線性特性。

        連接器通常置于圖1(a)中所示的位置。每個(gè)連接器板內(nèi)末端與中心線的距離約為24mm。為了測算出連接器定位的翹曲敏感度,應(yīng)采用板內(nèi)末端與中心線的距離約為4mm的連接器模型。這就將預(yù)計(jì)的最大翹曲度由原來的2.8mm增至3.4mm。

        從某種程度來說,PCB組件翹曲是PCB板、連接器和焊料熱機(jī)械特性的變化函數(shù),也是溫度和波焊工藝引發(fā)的溫度梯度的變化函數(shù)。為了更好地理解熱機(jī)械特性對翹曲的相對影響,我們分別改變PCB板和連接器的楊氏彈性模量(Ex)和熱膨脹系數(shù)(CTE),而PCB組件的其它特性則保持在正常值水平,見表1和表2。為了便于比較對翹曲所產(chǎn)生的相對作用,應(yīng)按照下列公式確定其敏感度參數(shù):

        式中,ω為標(biāo)稱翹曲(用表1和表2中的特性來獲得相應(yīng)的翹曲值),b為標(biāo)稱特性值(見表1和表2),Δω為翹曲的變化量,而Δb則為特性值變化量。由此可見,絕對敏感度是其特殊特性對最大翹曲產(chǎn)生相對作用的一種反映。例如,當(dāng)S=1時(shí),特殊特性變化10%,其最大翹曲就會(huì)相應(yīng)地發(fā)生10%的變化。

        表2 作為步驟1、2和4中所用溫度函數(shù)的焊接特性

        圖5 預(yù)計(jì)最大翹曲與連接器Ex關(guān)系曲線

        圖6 預(yù)計(jì)最大翹曲與連接器E關(guān)系曲線

        通過圖5可以看出,其最大翹曲隨著PCB的Ex增大而有所增大,其敏感度為S=0.2。連接器的E發(fā)生變化會(huì)產(chǎn)生相反的作用(參見圖6),雖然其對這一特性的敏感度更高,即S=0.3。最大翹曲對PCB板和連接器的熱膨脹系數(shù)CTE的變化更為敏感,分別參見圖7和圖8。在x方向增大PCB的熱膨脹系數(shù)CTE(約為標(biāo)稱值),翹曲就會(huì)隨之增加(見圖7),其S=1.2。相比之下,連接器熱膨脹系數(shù)CTE增大(約為標(biāo)稱值),其翹曲度會(huì)則隨之減小(見圖 8),其 S=0.73。

        圖6 預(yù)計(jì)最大翹曲與連接器E關(guān)系曲線

        圖7 預(yù)計(jì)最大翹曲與x方向的PCB板CTE關(guān)系曲線

        圖8 預(yù)計(jì)最大翹曲與連接器CTE關(guān)系曲線

        值得注意的是,連接器特性的變化通常要比PCB特性變化更容易獲得,因?yàn)镻CB是一種層疊式銅薄片。盡管如此,一般可能很難做到不降低楊氏彈性模量(E)并增大翹曲(見圖6)來大幅度地增大連接器的熱膨脹系數(shù)(并因此減小其翹曲度,見圖8),雖然由于熱膨脹系數(shù)CTE的變化,后一種作用大大小于前一種。

        前面所述的敏感性分析考慮到較小的PCB和連接器特性變化(約為標(biāo)稱值的20%)。重點(diǎn)關(guān)注作為使用壽命最長的連接器,以考慮其特性變化。該模型應(yīng)在更大的連接器CTE值范圍內(nèi)運(yùn)行,以確定PCB組件的翹曲是否能夠消除,至少理論上如此。將所有其它模型參數(shù)保持于標(biāo)稱值,見表1和表2??梢园l(fā)現(xiàn),當(dāng)連接器的CTE值約為40×10-6℃-1時(shí),其翹曲度為零。超出這一值,PCB組件將沿著圖4所示的相反方向發(fā)生翹曲,即在連接器下面出現(xiàn)凹面。

        上述討論涉及到建立一個(gè)模擬實(shí)際工藝過程的模型。這樣一來,在夾持點(diǎn)將PCB組件緊緊夾住,使之在y方向不會(huì)發(fā)生任何翹曲變形。為了測算模型4個(gè)步驟中各個(gè)步驟所產(chǎn)生的最終翹曲有多大,應(yīng)拆去夾具,進(jìn)行幾個(gè)循環(huán)的測試??梢钥闯?,約70%的最終翹曲發(fā)生在第4個(gè)步驟,而30%發(fā)生在第1~3步驟中。

        5 結(jié)論

        采用有限元模型方法可以提供帶有一排對稱PTH連接器的PCB在波焊之后的總體熱翹曲精確預(yù)測值。從各種熱機(jī)械特性作用的參數(shù)研究可以看出,PCB熱翹曲對PCB和連接器的熱膨脹系數(shù)(CTE)的變化最為敏感;同時(shí),我們還發(fā)現(xiàn)連接器的熱膨脹系數(shù)(CTE)增大2.5(其它特性參數(shù)不變)的情況下,可以消除其熱翹曲現(xiàn)象。而且,整個(gè)翹曲中的約70%預(yù)計(jì)發(fā)生在最后冷卻階段。

        [1] Boris Djurovic,"Analysis of Thermal Warpage in a PCB with an Array of PTH Connectors,"IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies,vol.22,pp.414-420,Sep.1999.

        [2] J.H.Lau,"Thermal stress analysis of SMT PQFP package and interconnections,"ASME J.Electron.Package,vol.111,pp.2 -8,Mar.

        [3] W.Bolton,Engineering Materials Handbook.Boca Raton,F(xiàn)L:CRC,1989.

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