李 娜，袁 吉，田曉明

（陜西鐵路工程職業(yè)技術學院機電工程系，陜西 渭南 714000）

0 前言

鑒于對人類身體健康和生活環(huán)境的保護，無鉛焊料的應用越來越廣泛[1]。無鉛合金熔點為217℃，比錫鉛焊料熔點183℃高了近34℃，這一變化會造成元器件過熱，不利于實現(xiàn)元器件與PCB基板的可靠連接，所以有必要通過添加托盤工裝來改善PCB組件的溫度分布狀況[2]。

目前，人們對回流焊過程中的PCB組件溫度場進行了大量的研究，但在實際應用時還存在一定的局限性，對添加工裝的PCB組件回流焊模擬仿真的報道較少，而且對焊料的研究以SnPb釬料為主，對于無鉛釬料的研究相對較少。在此著重對添加工裝的無鉛PCB組件回流焊過程的溫度分布進行研究。

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。

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

式中 hr為經(jīng)過輻射轉(zhuǎn)換的對流傳熱系數(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及其組件上某一點的發(fā)射系數(shù)；T1為爐腔壁的絕對溫度（單位：K）；T2為PCB及其組件上某一點的絕對溫度（單位：K）。

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

2 有限元模型

2.1 無工裝時PCB組件的有限元模型

無工裝添加時的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。文中對模型進行了合理簡化，選用六塊PLCC貼裝元件，忽略元器件的焊點和引腳，并將銅質(zhì)線路簡化為兩層銅箔來近似表示，下底板銅箔厚度0.168 mm，貼裝元器件的一側銅箔厚度0.168 mm，中間FR-4的厚度為 1.664 mm。無鉛焊料選用 Sn3.5Ag0.75Cu[4]。使用Solid70單元對模型進行自由網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格尺寸大小取值為0.008 m，共11590個節(jié)點。

圖2 PCB組件有限元模型

2.2 添加工裝時PCB組件的有限元模型

托盤工裝材料是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，研究基于工裝的無鉛焊料回流焊過程仿真分析時，需要將PCB組件通過回流焊接時放置在托盤工裝的腔體內(nèi)，該網(wǎng)格劃分與無工裝添加時相同，共有22895個節(jié)點，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）計算出銅箔在不同溫度下的比熱容和導熱系數(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 無鉛焊料Sn3.5Ag0.75Cu的熱參數(shù)

3 仿真方法

3.1 無工裝時PCB組件仿真方法

回流焊爐加熱部分為十個爐段，每個爐區(qū)長度為650 mm。每個溫區(qū)的設置如表9所示。

傳送帶的傳動速度為650 mm/min，PCB組件完全進入某個爐區(qū)的時間為41.5 s，PCB組件在每個爐區(qū)中停留的時間為60 s，PCB組件從第n-1爐區(qū)進入第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)爐溫設置

圖5 回流焊過程示意

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

移動載荷的加載是通過APDL語言中的循環(huán)語句來實現(xiàn)的：在求解時先要確定每一個時刻載荷的位置和大小，這就需要將PCB組件用APDL語言劃分為不同的材料區(qū)間，對每一個區(qū)間每個時刻施加不同的溫度，隨著載荷位置的移動，不同的溫度和對流系數(shù)就會加載到不同的材料區(qū)間，當載荷移動到下一個載荷步時，上一個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PCB組件仿真方法

添加工裝的PCB組件溫度場分析與無工裝添加時的溫度場分析設置相同，只是加入工裝的相關參數(shù)。

4 仿真結果和分析

4.1 無鉛焊料溫度場分布云圖

為了分析無鉛焊料的的溫度場變化趨勢，將六塊焊料的溫度場分布單獨列出，如圖7所示。

圖7 不同時刻的無鉛焊料溫度場分布

回流區(qū)結束時無鉛焊料Sn3.5Ag0.75Cu溫度場中的最低溫度為261.96℃，最高溫度為269.862℃，超過了無鉛焊料的熔點溫度（217℃）20℃～40℃的范圍，雖然能使得焊料充分的熔化，但是過高的回流溫度會導致焊料熔化過度、焊接不良等缺陷。

4.2 無工裝時PCB組件特殊節(jié)點溫度隨時間變化情況

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

圖8 無工裝時溫度曲線所取節(jié)點的位置

圖9 節(jié)點隨時間變化的溫度曲線

由圖9可知，節(jié)點在回流焊過程中的溫度曲線比較符合回流焊實際溫度曲線的要求，即在預熱階段快速升溫，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，采用的爐溫設置是十溫區(qū)回流焊爐，對比上圖得出爐區(qū)設置為十溫區(qū)時，PCB組件的溫度變化相對平緩，這樣有利于焊料的充分熔化，充分說明了十溫區(qū)回流爐的優(yōu)勢所在。

4.3 添加工裝時PCB組件特殊節(jié)點溫度隨時間變化情況

為了與無工裝PCB組件回流焊溫度場仿真結果對比，無鉛焊料熔化范圍是重點考慮的因素，所以此處選取焊料附近靠近PLCC引腳處的節(jié)點18150和節(jié)點19074（見圖10）與無工裝時相同位置的節(jié)點不同時刻的溫度作為對比，分析加工裝后的溫度變化趨勢。

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

圖11 無工裝和有工裝節(jié)點5711和18150不同時刻的溫度曲線

圖12 無工裝和有工裝節(jié)點5595和19074不同時刻的溫度曲線

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

5 結論

（1）針對十溫區(qū)（包括五個溫區(qū)的預熱區(qū)，三個溫區(qū)的保溫區(qū)以及兩個溫區(qū)的回流區(qū)）回流焊接爐工藝過程，通過簡化托盤工裝和PCB板的元器件，采用輻射和對流邊界條件修正對流系數(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）無工裝時選取了PCB組件上六個代表性節(jié)點，模擬其在回流焊過程中的溫度曲線變化趨勢，充分說明了十溫區(qū)爐區(qū)設置的優(yōu)點。只是設置為此種參數(shù)時，回流區(qū)的溫度高于無鉛焊料的熔化溫度，會造成元器件過熱。添加工裝后，PCB組件相近位置節(jié)點同一時刻的溫度小于未添加工裝的節(jié)點溫度約15 ℃～20 ℃，這樣的溫度在無鉛焊料Sn3.5Ag0.75Cu的熔化溫度217℃（20℃～40℃）內(nèi)，能夠充分熔化無鉛焊料，保證元器件和PCB基板實現(xiàn)可靠的電氣和機械連接。

[1]羅道軍.綠色電子組裝技術與案例研究[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.電子封裝無鉛化的趨勢及瓶頸[J].半導體行業(yè)，2004（8）：29-31.

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