馮 烈

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

自2006年7月1日起，為了加強環(huán)境保護，歐洲電器與電子機器組織（WEEE&Rohs）開始強制執(zhí)行“無鉛化焊接技術(shù)”。次年3月，我國信息產(chǎn)業(yè)部等七部委聯(lián)合發(fā)布的《電子信息產(chǎn)品污染控制管理辦法》開始施行。無鉛焊接技術(shù)成為電子制造中一項關(guān)鍵技術(shù)[1]。波峰焊接過程包含噴涂助焊劑、預(yù)熱、焊接三個主要過程，每個過程都對焊接質(zhì)量有重要影響，而其中焊接過程的影響尤為重要，影響因素包含錫槽溫度、波峰形狀、波峰高度、速度等等，是造成各種焊接缺陷形成的主要原因。行業(yè)內(nèi)通常采用DOE實驗設(shè)計的方法，對這些因素進行單獨或整體的分析。隨著仿真技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得波峰焊接過程的仿真成為可能。但由于影響因素復(fù)雜，以及波峰焊技術(shù)本身的原因，目前對于波峰焊接相關(guān)的仿真研究很少，對焊接過程的仿真研究幾乎空白。

為實現(xiàn)波峰焊接過程的仿真分析，本文運用ANSYS/Fluent對THT元件波峰焊接過程進行研究，得到了波峰焊接過程流場，建立了波峰焊焊接過程分析模型。

1 波峰焊機理

波峰焊是指將熔化的軟釬焊料（鉛錫合金），經(jīng)電動泵或電磁泵噴流成設(shè)計要求的焊料波峰，亦可通過向焊料池注入氮氣來形成，使預(yù)先裝有元器件的印制板通過焊料波峰，實現(xiàn)元器件焊端或引腳與印制板焊盤之間機械與電氣連接的軟釬焊[2]，如圖1所示。

2 仿真模型的建立

針對單個THT元件進行建模，結(jié)合PCB板在Creo中建立如圖2所示的三維模型，對模型在突出典型特征的情況下進行適當(dāng)簡化，包含元件的引腳、PCB板、空氣區(qū)域，其中焊盤、沉銅、綠油等區(qū)域通過Imprint Face來標(biāo)記為面，并在仿真軟件中賦予相應(yīng)的邊界條件。

通過分塊方法進行網(wǎng)格劃分，采用Sweep方法對單個區(qū)塊進行劃分，由于PCB、引腳等模型固體部分只涉及熱量的傳遞，即只進行能量方程求解，網(wǎng)格劃分較粗，而包含空氣和錫液的流體區(qū)域則需對網(wǎng)格進行加密處理，尤其是近焊盤、沉銅等區(qū)域，以獲得錫液流動過程較為清晰的流動界面。獲得規(guī)整的網(wǎng)格區(qū)域，如圖3所示。

考慮模型網(wǎng)格劃分的形狀、尺寸大小等因素對求解結(jié)果有著較大影響，尤其影響著氣液兩相界面形貌，較差的網(wǎng)格劃分往往使得兩相界面形貌粗糙，進而導(dǎo)致計算難以收斂。于是根據(jù)模型特點，采用疏密結(jié)合的網(wǎng)格劃分特點，對于錫液流動關(guān)鍵區(qū)域的網(wǎng)格進行加密，如通孔處和焊盤處，圖4（b）中該兩處的網(wǎng)格劃分尺寸為遠離焊盤區(qū)域網(wǎng)格尺寸的1/3-1/4，從而足夠在計算中捕捉到焊盤的潤濕過程及毛細力的驅(qū)動作用。此外，對于靠近固體壁面處，也即流體邊界區(qū)域網(wǎng)格同樣進行一定程度的加密，這從圖4（a）中可以直觀的看出。液體邊界的無滑移邊界條件使得邊界處速度梯度較大，所以網(wǎng)格要劃分較細，以捕獲速度梯度的變化。

3 材料參數(shù)

仿真計算需要的物性參數(shù)包含熱分析需要的密度、導(dǎo)熱系數(shù)、熱容，以及流動分析計算需要的粘度、接觸角、表面張力，且對于粘度、接觸角、表面張力這些對流動影響較大參數(shù)設(shè)置為溫度相關(guān)項，因此計算過程為非線性。通過相關(guān)文獻獲取上述相關(guān)數(shù)據(jù)，如表1所示。

圖1 波峰焊接原理

圖2 THT元件引腳模型

圖3 模型網(wǎng)格劃分

其中，對于粘度、潤濕角、表面張力三項與溫度相關(guān)項，編輯寫入UDF文件，加載到Fluent軟件中，UDF程序如下：

4 物理模型的選擇及求解設(shè)置

根據(jù)錫液流動特點，設(shè)置流動狀態(tài)為湍流，打開k-epsilon(2qn)方程進行湍流計算，打開energy能量方程求解熱量傳遞過程。錫液流動驅(qū)動力包含附加壓力，需要打開CSF（Continuum Surface Force）連續(xù)表面張力模型，結(jié)合錫液潤濕角的設(shè)置，來體現(xiàn)附加壓力的大小、方向。

邊界及初始條件設(shè)置：其中環(huán)境溫度設(shè)置為25 ℃，PCB板溫度設(shè)置為100 ℃（預(yù)熱后溫度），錫槽錫液溫度設(shè)置為260 ℃，初始化模型混合（Air、Sn）區(qū)域Sn的體積分?jǐn)?shù)為0，模型入口處錫液體積分?jǐn)?shù)為1，以表征板剛開始經(jīng)過錫槽，錫液流向引腳的過程。計算中固、液之間的熱量傳遞通過耦合面進行，設(shè)置PCB、引腳表面與混合流體區(qū)域接觸面為耦合面，即在軟件中設(shè)置為Interface面，以自動傳遞熱量，而無需設(shè)置對流換熱系數(shù)。

在求解參數(shù)的相關(guān)設(shè)置中，首先是在多相流設(shè)置中選擇VOF模型，該模型中勾選Implicit Body Force選項，該選項是針對體積力的一個隱式算法，勾選后可以取得較好的求解結(jié)果。另外是針對VOF模型中體積函數(shù)的求解方式，不同的求解方式影響到界面的構(gòu)造形貌。

5 仿真結(jié)果

針對設(shè)置后的模型進行求解，求解時間設(shè)置為3 s，較接近于實際的焊接時間，經(jīng)計算獲得全模型的溫度場、流場求解結(jié)果。圖6所示為流場計算獲得的氣、液兩相VOF云圖，圖中藍色部分為錫液區(qū)域，紅色部分為空氣區(qū)域，幾幅圖代表著不同時刻錫液流經(jīng)引腳的狀態(tài)。從圖中可以看出，錫液從左側(cè)模型入口處流入，液面前沿一致向前推進，在推進至銅焊盤處，由于焊盤的潤濕性，使得焊盤附近錫液面形成彎曲液面，而后受到鉆孔和引腳間毛細作用而快速的填充鉆孔與引腳間隙，并流動至PCB板上側(cè)，由于焊盤的潤濕性以及綠油的阻隔作用，而在元件面的引腳與焊盤間形成彎月面。隨后繼續(xù)填充模型右側(cè)部分，在引腳脫錫后，受到潤濕力形成的附加壓力的作用，錫液殘留在引腳和焊盤間形成焊點。

圖4 劃分后的網(wǎng)格

表1 仿真計算所需錫液物性參數(shù)[3-5]

查看固體部分的溫度場解算結(jié)果，如圖7所示，在CFD-POST中可同時對固體部分的計算結(jié)果進行后處理，并直觀的查看固體部分溫度分布，從圖中可以看出，由于引腳材料更高的導(dǎo)熱系數(shù)和低熱容值，使得其在短時間內(nèi)快速升溫至錫液的溫度，而后保持在這樣的溫度值。PCB部分由于其導(dǎo)熱系數(shù)很低，溫度穩(wěn)步的在升高，呈現(xiàn)從板的焊接初始面向焊接終止面逐漸減小的趨勢。

圖5 關(guān)鍵控制參數(shù)

進一步分析t=3 s時刻PCB部分的溫度分布。PCB部分整體溫度區(qū)間在110-254 ℃之間，其中最高溫分布在通孔的焊接面一側(cè)，最低溫分布在安裝面遠離通孔區(qū)域，板的焊接面主體溫度相較于安裝面的主體溫度低130 ℃左右。單獨看PCB安裝面的溫度分布如圖8（b）所示，溫度區(qū)間在110-184 ℃之間，同樣，高溫分布在通孔側(cè)。

圖6 流場計算的氣、液兩相VOF云圖

圖7 固體部分溫度場

圖8 PCB部分的溫度場

6 結(jié)論

本文通過對波峰焊接過程進行研究，運用ANSYS/fluent建立了波峰焊接過程分析模型，求解了THT元件波峰焊流場，得出了以下結(jié)論：

1）首次通過仿真手段實現(xiàn)了波峰焊接過程的模擬，建立了基于VOF、CSF、k-epsilon （2qn）方程和能量方程的THT元件波峰焊接流固耦合分析模型。

2）THT元件波峰焊焊點的形成主要受焊盤的潤濕力、鉆孔和引腳間的毛細作用力以及附加內(nèi)壓的作用。

3）PCB板溫度在厚度方向呈梯度分布，由焊接面到元件面、孔內(nèi)到孔外逐漸遞減的趨勢，與實際情況一致。

4）波峰焊接過程仿真模型的建立，標(biāo)志著波峰焊數(shù)字化研究時代的到來。