□ 王曙淮 □ 陳志敏 □ 丁 竹

1.東南大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 南京 211189

2.考文垂大學(xué) 商學(xué)院 英國考文垂 CV

隨著計算機(jī)性能和有限元技術(shù)的發(fā)展，三維焊接過程數(shù)值模擬的研究受到越來越多研究人員的關(guān)注，焊接溫度場分布反映了復(fù)雜的焊接熱過程，而熱應(yīng)變影響著熔合、裂紋和組織等與焊接質(zhì)量相關(guān)的指標(biāo)，它是影響焊接質(zhì)量和焊接生產(chǎn)率的主要因素［1-2］。相比傳統(tǒng)數(shù)值模擬技術(shù)，焊接模擬還不是很成熟，操作過程也較為復(fù)雜。目前，在有限元領(lǐng)域中，由于ANSYS Workbench相比經(jīng)典ANSYS界面更加人性化，操作簡單，功能也日益完善，從而越來越多的研究人員選擇ANSYS Workbench作為模擬仿真的工具。但是大多數(shù)研究人員從事的只是ANSYS Workbench模擬仿真的工作，對其二次開發(fā)的并不多。本文主要研究低溫共燒陶瓷（LTCC）基板的回流焊溫度場，根據(jù)回流焊的實際工況進(jìn)行建模仿真，采用對流面分段加載的方法來模擬進(jìn)出各個爐區(qū)的效果。使用Visual Basic語言和ACT模塊對ANSYS Workbench后處理進(jìn)行二次開發(fā)，可以直觀反映工藝參數(shù)是否滿足工藝要求，進(jìn)而提高模擬仿真的效率。

1 有限元模型的建立

1.1 幾何模型的建立

用三維軟件Catia對LTCC、殼體及其夾具體進(jìn)行建模，然后將模型存為stp格式再導(dǎo)入Workbench中，如圖1所示。其中殼體厚度為2.16mm，材料為Al-Si；LTCC基板厚度為1.58mm；釬料厚度為50 μm，材料為Sn63Pb37。Anand黏塑性模型可以有效地描述Sn63Pb37焊錫釬料的應(yīng)力應(yīng)變情況［3］，相關(guān)參數(shù)見表1，其余材料為Al-Mg合金。

▲圖1 LTCC和殼體

表1 Anand模型的參數(shù)

1.2 單元處理

如圖2所示，LTCC基板單元大小為1mm，其余零件單元大小均為1.5mm，采用去除中間節(jié)點自動劃分單元的方法，并對LTCC基板上槽的四周進(jìn)行細(xì)化，得到節(jié)點數(shù)為94464、單元數(shù)為359586。

▲圖2 單元劃分效果圖

1.3 邊界條件

對低溫共燒陶瓷基板進(jìn)行焊接的回流爐是熱風(fēng)爐，被焊接件和熱風(fēng)爐之間的熱交換主要是對流傳導(dǎo)，而內(nèi)部組件主要是靠熱傳導(dǎo)來進(jìn)行傳熱。一般情況下，室內(nèi)的自然對流傳熱系數(shù)為 18～20（W/m2·K），氣體的強(qiáng)制對流傳熱系數(shù)為 20～100（W/m2·K）［4］。

2 結(jié)果分析

2.1 SMT溫度曲線分析和KIC2000檢測原理

由于電子封裝組件和焊料的多樣性，SMT溫度曲線沒有一個明確具體的劃定界限，國際標(biāo)準(zhǔn)資料只給出檢測溫度曲線各個參數(shù)上下限的參考值。由于陶瓷器件對溫差和溫升速率較為敏感，因此要適當(dāng)縮小溫度曲線的各個參數(shù)，從而保證焊接質(zhì)量和元器件不被損壞［5-6］。溫度曲線的各個參數(shù)設(shè)置如圖3所示，預(yù)熱區(qū)通常是指溫度由常溫升高至150℃左右的區(qū)域，在這個區(qū)域﹐溫度緩升以利焊錫中的部分溶劑及水汽能夠及時揮發(fā)，但是由于零部件的各個表面積不一樣，為避免溫度不均勻的影響，需要經(jīng)保溫區(qū)來減小各零部件之間的溫差。保溫區(qū)也稱活性區(qū)，此時焊錫處于融化前夕，焊膏中的揮發(fā)物會進(jìn)一步被去除﹐活化劑開始啟動﹐并有效地去除焊接表面的氧化物，此階段通常處于爐子2～3個區(qū)域，時間維持約60～90 s。回流區(qū)是焊接過程中溫度最高的區(qū)域，回流焊的峰值溫度取決于焊料的熔點溫度和組裝零件所能承受的溫度，一般的峰值溫度應(yīng)該比焊料的正常熔點要高出約20～30℃，才能順利完成焊接作業(yè)，如果低于此溫度，則有可能會造成冷焊和潤濕不良的缺陷。

▲圖3 溫度曲線各個參數(shù)的參考標(biāo)準(zhǔn)

KIC2000爐溫測試儀是實時測量焊接回流工藝的設(shè)備和進(jìn)行優(yōu)化工藝窗口指數(shù)的工具。KIC軟件可以使每一個熱電偶都能使用其獨特的工藝窗口，并且軟件能自動給出最佳的爐溫設(shè)置值。工藝窗口主要含有兩個工藝指數(shù)，如圖4所示，分別為各階段的時間和制程工藝指數(shù)（PWI），其中時間表示焊錫在該階段停留的時間，PWI能判斷溫度曲線是否在規(guī)格內(nèi)還是超出了規(guī)格。PWI是100%或者更大時，表示這個曲線在規(guī)格外處理產(chǎn)品，PWI小于99%，表示曲線在規(guī)格內(nèi)。PWI正確地告訴用戶使用的曲線制程工藝指數(shù)是多少，曲線的完善程度，PWI值越低代表曲線越好。99%的PWI是很危險的，因為它表示工藝很容易超出控制。PWI的計算方法為：

式中：χ為實際檢測值；a為給定目標(biāo)范圍的上限；b為給定目標(biāo)范圍的下限。

▲圖4 KIC2000工藝窗口

2.2 二次開發(fā)

客戶化定制開發(fā)工具（ACT）是ANSYS定制開發(fā)套件產(chǎn)品的一部分，是在ANSYS Workbench中定制開發(fā)Mechanical軟件界面的工具，ANSYS定制開發(fā)套件產(chǎn)品還包括Workbench軟件開發(fā)工具包（SDK）。一些企業(yè)通過定制ANSYS仿真環(huán)境，使分析專家的經(jīng)驗和知識固化下來，同時為非專業(yè)用戶提供了專業(yè)分析的方法。另外，通過客戶化定制，可以將復(fù)雜的自研程序進(jìn)行公開和標(biāo)準(zhǔn)化，便于日常使用，從而提高仿真工程師的工作效率。

在R14.5的版本中，ACT的工作環(huán)境只有Mechanical，而目前的最新版本 R15，不僅適用Mechanical， 而且在 Design Explorer（DX） 和 Design Modeler（DM）也有良好表現(xiàn)。在Workbench的環(huán)境下，附加模塊的開發(fā)是以Python和XML為基礎(chǔ)語言進(jìn)行編程的。 XML（Extensible Warkup Language）是類似于HTML的可擴(kuò)展標(biāo)記語言，可以利用XML語言對Workbench環(huán)境下的按鈕和操作命令進(jìn)行編程，例如本文需要通過點擊16×16像素的圖標(biāo)來調(diào)用VB程序，這個事件的名稱和工具欄參數(shù)設(shè)置都需要在XML中進(jìn)行編程，如圖5所示。Python的作用是定義XML中函數(shù)的具體功能，例如本文Python只需要執(zhí)行調(diào)用某路徑下的VB程序即可。將已寫好的程序置于extensions文件夾下，在Workbench的界面中勾選加載即可，如圖6所示。刷新ACT Development，如果加載成功，Workbench界面就會出現(xiàn)SMT擴(kuò)展程序，如圖7所示，否則在extension log file中會出現(xiàn)錯誤警告。

2.3 模擬溫度曲線和改進(jìn)方法

▲圖5 Extensions中的XML內(nèi)容

▲圖6 加載SMT工具

▲圖7 擴(kuò)展程序加載成功

利用ANSYS Workbench對模型進(jìn)行加載后求解，其中傳送帶速為55 cm/min，爐溫設(shè)置見表2。執(zhí)行XML和Python編寫的GUI命令程序，VB程序被調(diào)用后，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入模擬KIC2000的VB程序（圖8）。在浸泡階段內(nèi)（150～183℃）焊錫停留時間過短，會導(dǎo)致錫珠、空洞和焊后斷開等一系列焊接質(zhì)量問題。峰值溫度和回流時間也都存在隱患，可能會導(dǎo)致生焊和不沾錫等現(xiàn)象。在SMT回流焊的過程中，要綜合評價溫度曲線是否合適，因為曲線的每一個參數(shù)都會導(dǎo)致焊接質(zhì)量問題，使殼體和LTCC基板之間存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)而引發(fā)LTCC陶瓷基板產(chǎn)生裂紋［7］。

表2 各個爐區(qū)溫度設(shè)置

由于上述溫度曲線不能滿足工藝要求，PWI超出了規(guī)格范圍，因此需要對爐溫和傳送帶速進(jìn)行重新設(shè)計。經(jīng)優(yōu)化，設(shè)定傳送帶速為60 cm/min，爐溫設(shè)置見表3。ANSYS Workbench重新加載計算，求解結(jié)果如圖9所示。浸泡時間、峰值溫度和回流時間都有明顯改善，因此優(yōu)化后的爐溫比未優(yōu)化的爐溫設(shè)置更合理。

表3 優(yōu)化后各個爐區(qū)溫度設(shè)置

3 結(jié)論

由以上的分析和計算，可以得出以下結(jié)論。

▲圖8 模擬KIC2000軟件的工藝窗口（未優(yōu)化爐溫）

▲圖9 模擬KIC2000軟件的工藝窗口（優(yōu)化爐溫）

（1）ANSYS Workbench可以聯(lián)合多種編程語言進(jìn)行二次開發(fā)，設(shè)計人員可以通過選擇任意較為熟悉的編程語言進(jìn)行開發(fā)，明顯降低編程開發(fā)的難度和提高仿真工程師的工作效率。

（2）回流焊爐各個溫區(qū)的溫度設(shè)置直接影響焊接質(zhì)量，合理設(shè)置爐溫和傳送帶速可以提高焊接質(zhì)量，進(jìn)而降低裂紋出現(xiàn)的幾率。

（3）通過模擬爐溫測試儀KIC2000溫度曲線的評定，可以直觀地發(fā)現(xiàn)預(yù)熱時間、保溫時間、回流時間等是否符合工藝要求，進(jìn)而對爐區(qū)的溫度和傳送帶速進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，滿足產(chǎn)品的工藝要求。

［1］RadajD.HeatEffectsofWelding：Temperature Field，Residual Stresses， Distortion［M］.New York：SpringerVerlag Berlin Heidelberg，1992.

［2］胡繩蓀，蔣秀曄，申俊琦，等.基于ANSYS二次開發(fā)的焊接溫度場前處理系統(tǒng) ［J］.天津大學(xué)學(xué)報，2013，46（22）：1039-1044.

［3］G Z Wang，Z N Cheng，K Becker，et al.Applying Anand Model to Represent the Viscoplastic Deformation Behavior of Solder Alloys ［J］.JournalofElectronic Packaging，2001，123：247-253.

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

［5］IPC-7530，Guidelines for Temperature Profile for Mass Soldering Processe（Reflow&Wave）［S］.

［6］IPC/JEDEC J-STD-020C，Moisture/Reflow Sensitivity Classification for Nonhermetic Solidstate Surface Mount Devices［S］.

［7］王惠平.SMT再流焊溫度曲線對焊接質(zhì)量的影響［J］.青海大學(xué)學(xué)報，2009，27（2）：13-15.