周 穎

（安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與汽車工程系，淮南 232009）

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種高精度現(xiàn)代智能電子設(shè)備的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，人們對(duì)電子產(chǎn)品的整體質(zhì)量與可靠性提出了更高的要求［1，2］.由于SMT 及其封裝向著高度集成化、高性能化、多引線和窄間距的方向發(fā)展，如BGA、CSP、FC 等，從而對(duì)組裝技術(shù)同樣提出了更高的要求.不斷增加的組裝密度以及相應(yīng)元器件尺寸的減少產(chǎn)生了很多產(chǎn)品組裝質(zhì)量問題，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)分析方法對(duì)于分析產(chǎn)品故障來說不僅費(fèi)用昂貴，同時(shí)很難保證實(shí)驗(yàn)資料的可靠性.目前SMT 產(chǎn)品單個(gè)品種的生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，從收料、準(zhǔn)備到設(shè)備貼裝生產(chǎn)，每一生產(chǎn)環(huán)節(jié)都可能對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量造成影響.現(xiàn)有SMT 生產(chǎn)流程含15個(gè)串行步驟，依次是物料清點(diǎn)及檢查、生產(chǎn)資料準(zhǔn)備、物料預(yù)烘、設(shè)計(jì)圖紙與BOM 確認(rèn)、設(shè)備編程、焊膏回溫、印膏、印膏質(zhì)量首檢及返工、上料/換料、上料正確性確認(rèn)、貼片、貼片質(zhì)量自檢及修整、回流焊、回流焊后焊接質(zhì)量檢測(cè)、過程數(shù)據(jù)記錄.

大量研究實(shí)驗(yàn)表明，在電子封裝過程中焊點(diǎn)連接是非常重要的，許多人認(rèn)為電子設(shè)備的可靠性常歸根于焊點(diǎn)的可靠性，也有人認(rèn)為由于焊點(diǎn)尺寸越來越小，焊點(diǎn)成為最弱的連接環(huán)節(jié)，必須進(jìn)行仔細(xì)研究設(shè)計(jì)以防疲勞失效［3-4］.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)和工程實(shí)際相結(jié)合，對(duì)SMT 關(guān)鍵工藝進(jìn)行監(jiān)控和仿真是解決問題的有效手段.在SMT 組裝過程中，焊接質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量好壞.利用計(jì)算機(jī)仿真再流焊接工藝過程，不僅能夠提高分析的效率，而且可以減少實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，減少通過試湊法設(shè)置溫度曲線所用的時(shí)間.

在生產(chǎn)實(shí)際中，溫區(qū)溫度是關(guān)鍵的工藝參數(shù)之一，溫區(qū)溫度設(shè)置的好壞直接關(guān)系到焊接質(zhì)量的好壞.對(duì)于特定的再流焊爐來說，由于溫區(qū)數(shù)目一定，則合理設(shè)置各溫區(qū)的溫度顯得尤為重要.回流焊接工序中合理的溫度曲線設(shè)置是保證回流焊接質(zhì)量的關(guān)鍵，不恰當(dāng)?shù)臏囟惹€會(huì)使PCB 板出現(xiàn)焊接不全、虛焊、元器件翹立、焊錫球過多等焊接缺陷，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量.一般來說，為了保證產(chǎn)品在焊接過程中不受大的熱沖擊以及保證充分焊接，可以提高預(yù)熱區(qū)的溫度和減慢焊接傳送速度，但是速度太低顯然會(huì)影響產(chǎn)品的產(chǎn)量.加強(qiáng)溫濕度監(jiān)測(cè)力度，提高濕敏性元件焊接質(zhì)量.對(duì)于濕敏性元器件在SMT 的回流焊接中，因濕氣膨脹、材料的不匹配以及材料界面劣化等因素的影響會(huì)導(dǎo)致元器件開裂或者內(nèi)部關(guān)鍵界面的分層.通過對(duì)生產(chǎn)環(huán)境溫濕度的嚴(yán)格監(jiān)測(cè)及控制，可有效保證濕敏性元器件的焊接質(zhì)量.

傳送速度體現(xiàn)的是生產(chǎn)效率，焊接傳送速度決定了產(chǎn)品在再流焊爐中的加熱時(shí)間，減慢傳送速度可以增加SMA 的加熱時(shí)間，減少由于受熱不均勻造成的部分焊接不充分現(xiàn)象，能有效防止冷焊現(xiàn)象的產(chǎn)生.但是過慢的傳送速度會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品的產(chǎn)量，另外也可能造成局部元件過熱，從而影響產(chǎn)品的可靠性和壽命.

產(chǎn)品的布局是指元件在基板上的分布情況，由于不同元件的體積、密度不同，造成元件的質(zhì)量各不相同，在考慮元件的溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系時(shí)，可以忽略元件的熱阻，把元件當(dāng)作一個(gè)微元體來看待，則利用集總參數(shù)法可以建立元件在焊接過程中的集總參數(shù)數(shù)學(xué)模型，即

顯然熱容量大的元件溫度變化比較慢，在焊接過程中為了防止局部過熱，在SMA 設(shè)計(jì)時(shí)，一般把熱容量大的元件盡量均勻分布在整個(gè)基板的表面.

1 仿真軟件系統(tǒng)應(yīng)具有的功能

為了實(shí)現(xiàn)再流焊接溫度曲線的自動(dòng)設(shè)置，并能應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際，再流焊仿真與預(yù)測(cè)軟件系統(tǒng)必須具備以下兩個(gè)基本功能：

（1）系統(tǒng)能夠自動(dòng)根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)建立ANSYS 實(shí)體模型.

由于ANSYS 溫度場(chǎng)仿真模型對(duì)SMA 進(jìn)行了許多簡(jiǎn)化，在實(shí)際生產(chǎn)中可能造成模型不準(zhǔn)確，另外建立ANSYS 實(shí)體模型的過程比較復(fù)雜，對(duì)每種產(chǎn)品都建立實(shí)體模型的過程過于繁瑣.對(duì)于再流焊接預(yù)測(cè)與仿真系統(tǒng)，可以對(duì)ANSYS 進(jìn)行二次開發(fā)，建立SMA 電子CAD 文檔自動(dòng)轉(zhuǎn)化為ANSYS 實(shí)體模型之間的接口程序，方便建立仿真系統(tǒng)的實(shí)體模型.在建立實(shí)際產(chǎn)品的有限元模型之后，能方便設(shè)置工藝參數(shù).

（2）建立并完善專家評(píng)價(jià)系統(tǒng).

通過仿真系統(tǒng)的分析，在得到該工藝參數(shù)條件下SMA 的溫度響應(yīng)和溫度曲線之后，通過專家評(píng)價(jià)系統(tǒng)，給出參數(shù)修改意見.專家系統(tǒng)要根據(jù)特別有經(jīng)驗(yàn)的工程技術(shù)人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合比如器件的熱容量大小、各種元器件的敏感溫度、元器件在敏感溫度之上的功能失效時(shí)間、焊點(diǎn)數(shù)量及其大小形態(tài)、焊接速度（傳送速度）等作出參數(shù)設(shè)置好壞的綜合判斷，并日趨完善.當(dāng)然，這部分工作大部分由數(shù)據(jù)庫及統(tǒng)計(jì)分析方式形成約束條件體現(xiàn)在軟件編程之中.

2 基于數(shù)據(jù)庫的仿真系統(tǒng)

由于SMA 幾何外觀的復(fù)雜性，SMA 電子文檔和ANSYS 程序的接口程序?qū)崿F(xiàn)有一定的難度，在建立了SMA 有限元分析模型后，如何通過再流焊接工藝仿真系統(tǒng)對(duì)焊接過程中SMA 溫度變化進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，是實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵.再流焊接工藝參數(shù)設(shè)置的三個(gè)關(guān)鍵是產(chǎn)品布局，溫區(qū)溫度以及傳送速度.為了解決仿真系統(tǒng)不能自動(dòng)建立ANSYS仿真模型的問題，可以在現(xiàn)有大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫，再流焊爐溫區(qū)溫度數(shù)據(jù)庫和通過輸入不同的傳輸速度值來定義典型產(chǎn)品的合理工藝.

對(duì)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行再加工，形成一個(gè)綜合的面向分析的環(huán)境，以更好支持決策分析，從而形成了數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)（Data Warehousing，簡(jiǎn)稱DW）.由于產(chǎn)品布局以及溫區(qū)的設(shè)置具有相似性，對(duì)于具有相似布局的產(chǎn)品而言，其溫區(qū)的溫度設(shè)置帶有很大的相似性，只需通過微調(diào)就能達(dá)到工藝要求.基于這樣的思想，可以在積累大量生產(chǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，把統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，建立基于典型產(chǎn)品布局和典型溫度設(shè)置的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng).

和傳統(tǒng)的焊接工藝設(shè)置方法相比，由于用計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)了大量的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)并經(jīng)過合理的統(tǒng)計(jì)分析，再結(jié)合通過訓(xùn)練完善的專家系統(tǒng)評(píng)價(jià)，其效率會(huì)大于任何一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的工程師.從而杜絕了通過多次試湊來確定焊接工藝造成的時(shí)間浪費(fèi).充分節(jié)約了人力資源，提高了生產(chǎn)效率.利用數(shù)據(jù)庫的可擴(kuò)充性，逐步完善產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫、溫度曲線數(shù)據(jù)庫以及溫區(qū)溫度設(shè)置數(shù)據(jù)，從而提高仿真系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和快速性.

傳統(tǒng)的溫度設(shè)置方法在測(cè)試溫度的時(shí)候，測(cè)試點(diǎn)的確定是一個(gè)關(guān)鍵，一般根據(jù)產(chǎn)品布局以及以往的經(jīng)驗(yàn)，在熱容量比較集中和分散的地方分別取上三點(diǎn)，以此來估計(jì)整個(gè)SMA 板溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系.該仿真系統(tǒng)通過數(shù)學(xué)建模和ANSYS 分析，可以準(zhǔn)確地判斷SMA 的溫度的分布情況，為測(cè)試點(diǎn)的確定提供科學(xué)依據(jù).

通過選擇特定的產(chǎn)品以及再流焊接工藝參數(shù)，結(jié)合ANSYS 仿真模型，計(jì)算出該產(chǎn)品在焊接過程中的溫度響應(yīng)，然后通過作為本軟件重要組成部分的專家系統(tǒng)判斷溫度曲線是否達(dá)到最優(yōu).如果在該工藝條件下，產(chǎn)品的溫度曲線存在問題，通過專家系統(tǒng)判斷可能產(chǎn)生問題的工藝原因，然后輸出反饋信息，通過計(jì)算機(jī)的反饋信息，人工改變相應(yīng)的工藝參數(shù)，再通過ANSYS 仿真模型進(jìn)行計(jì)算，直到得到合理的溫度曲線.

在該仿真系統(tǒng)中，主要通過評(píng)價(jià)產(chǎn)品的最高溫度是否超過焊接溫度時(shí)間、產(chǎn)品每一部分的溫度差別情況以及溫度隨時(shí)間的變化圖是否在理想溫度曲線的范圍內(nèi)來判斷工藝參數(shù)設(shè)置的好壞.

3 再流焊接工藝仿真與預(yù)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

上述分析明確了再流焊接工藝仿真系統(tǒng)基本思想，在系統(tǒng)總體框架下，作者把再流焊接工藝預(yù)測(cè)與仿真系統(tǒng)分成三大模塊，一是產(chǎn)品和工藝參數(shù)的選擇模塊，二是ANSYS 分析模塊，三是分析評(píng)價(jià)模塊，如圖1 所示.

圖1 再流焊接仿真與預(yù)測(cè)系統(tǒng)框架圖

從圖1 中可知，采用該軟件可以方便地選擇不同的產(chǎn)品和再流焊接工藝參數(shù)，并經(jīng)過有限元分析計(jì)算，得到相應(yīng)產(chǎn)品在焊接過程中的溫度響應(yīng)，然后通過專家評(píng)價(jià)系統(tǒng)，判斷在此工藝參數(shù)下，產(chǎn)品的溫度響應(yīng)是否合理，提出修改再流焊接工藝參數(shù)的意見，通過多次比較和修改，完成再流焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化過程.

該再流焊接工藝預(yù)測(cè)與仿真系統(tǒng)軟件用VC++編程語言編制，軟件采用模塊式結(jié)構(gòu)，整體以Windows7 為平臺(tái)形成中文顯示交互式軟件，圖2為SMT 再流焊接預(yù)測(cè)與仿真系統(tǒng)交互式操作過程中所示各功能界面拷貝.該軟件有很強(qiáng)的操作導(dǎo)航功能，使用操作過程簡(jiǎn)單.

圖2 再流焊接仿真與預(yù)測(cè)軟件各個(gè)界面圖

為了比較該仿真預(yù)測(cè)軟件的優(yōu)化效果，作者分別導(dǎo)出了同一SMA 有限元分析模型在再流焊接參數(shù)優(yōu)化前后的溫度曲線，如圖3 所示，左為優(yōu)化前，右為優(yōu)化后.對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后溫度曲線平滑，高溫段時(shí)間較短.

圖3 參數(shù)優(yōu)化前后SMA溫度曲線比較

4 結(jié)束語

根據(jù)再流焊接工藝生產(chǎn)實(shí)際，提出了基于數(shù)據(jù)庫和統(tǒng)計(jì)分析方法的再流焊接工藝預(yù)測(cè)與仿真系統(tǒng)的基本思想，建立了再流焊接工藝預(yù)測(cè)與仿真系統(tǒng).采用VC++作為編程語言，開發(fā)了再流焊接工藝預(yù)測(cè)與仿真系統(tǒng)軟件.通過日益完善軟件的專家評(píng)價(jià)系統(tǒng)，可以指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐中選定最合理的工藝參數(shù).