无铅微焊点焊接温度场仿真分析

目录TOC\o"1-3"\h\u29725摘要 I17018Abstract II270821绪论 1277291.1研究的背景和意义 1113351.2相关技术概述 1171431.2.1无铅焊料简述 1132131.2.2回流焊简述 2230971.2.3电子封装技术概述 2308901.3无铅微焊点焊接温度场的研究现状 3129851.4研究内容 481552相关的理论基础 6133672.1传热基本原理 668642.2焊接温度场 759342.4ANSYS14.5热分析的方法 882.4.1ANSYS的简介 882642.4.2ANSYS14.5新特性 943612.4.3ANSYS热分析 9257162.4.4瞬态热分析步骤 10272913无铅微焊点焊接温度场仿真分析 11170563.1无铅微焊点三维实体有限元模型的建立 11307373.1.1选择单元类型 11267343.1.2定义材料性能参数 11188743.1.3三维模型的建立与网格划分 1385353.2施加载荷 14122693.3求解与后处理 15276723.4本章小结 16182464无铅微焊点焊接温度场分析 17287684.1PCB整体组件焊接温度场分析 17184544.1.1预热区 19325354.1.2保温区 19148714.1.3回流区 20229704.1.4冷却区 20304254.2无铅微焊点焊接温度场分析 2085974.2.1预热区 21308574.2.2保温区 2156104.2.3回流区 2281904.2.4冷却区 22164594.3本章小结 23267925总结 2411944致谢 2514047参考文献 26桂林理工大学本科毕业设计·论文1绪论1.1研究的背景和意义随着人们对电子产品的要求日益增高,随着人们环保意识的增强，铅对人体的危害以及对环境的污染，导致无铅材料在电子产品上的运用日渐成熟，其中，包括无铅激光焊接、无铅闪光焊接、无铅回流焊接技术等开发使得无铅电子产品逐渐成为世界主流[1]。目前，无铅微焊技术已经运用到了各种微电子产品上，如手机，电脑，精密电子仪器等。随着21世纪纳米电子时代的到来，无铅微焊技术也得到了前所未有的机遇，面临着严峻的挑战。表面贴装技术（SurfaceMountTechnology，简称：SMT）是无铅焊接的载体，利用各种封装形式，例如CSP、BGA、FCIP等，用无铅材料进行焊接。球栅阵列封装(BallGridArray，简称BGA)是本文模拟仿真的主要类型。回流焊接是表面组装技术特有的重要工艺，焊接工艺质量的好坏将会直接影响正常生产的产品，产品的质量和可靠性也得不到保证。因此，对无铅回流焊焊接温度场进行深入研究，并得出合理的回流焊接温度场曲线，可以为提高焊接质量提供一定的参考价值。无铅焊料既需要满足保护环境的要求，又不能添加新的对人体有害的物质；要确保无铅微焊点的可靠性以及焊接后的可靠性，并要考虑客户所承受的成本等众多问题。表面组装技术（SMT）中，采用的主要焊接技术是回流焊接。无铅焊料也不像之前锡铅焊料，其熔融温度为217摄氏度左右，增加了近34摄氏度，这一变化对回流设备的技术性能提出了更大的要求。因此，对其焊接温度场的仿真研究是有必要的。1.2相关技术概述1.2.1无铅焊料简述1991年起，NEMI,NCMS,NIST,DIT,NPL,PCIF,ITRI,JIEP等组织相继开展耗资超过2000万美元的无铅焊料的专题研究，目前仍在继续；2003年3月，中国信息产业部提议自2006年7月1日起在市场上销售的国家重点监管目录内的电子信息产品不能含有铅；2006年7月1日起欧盟议会和欧盟理事会发布了明确指令，在欧洲市场销售的电子产品必须为无铅产品[1]。回流焊指的是焊锡合金经过高温融化成为锡粉，经过助焊剂的调配成为锡膏，再经过再次回熔固化成为微小的金属球形焊点的过程。而无铅回流焊指的是将合金焊膏之中的铅舍去而用无铅的成分取代。现今安全可靠的无铅焊料已经有开发出很多，Sn-58Bi熔融温度为139℃适用于家用电器、携带式电话；Sn-3.4Ag-4.8Bi熔融温度为205~210℃适用于家用电器、携带式电话、宇宙航空、汽车，还有Sn-AgSn-3.5Ag-0.75Cu，Sn-3Ag-0.7Cu，Sn-Ag-Bi等等[2]。1.2.2回流焊简述在电子制造业中，表面组装组件一般使用回流焊接技术进行焊接，按照热的传递方式可以将回流焊分为三种：远红外、全热风、红外/热风。远红外：具有加热速度快、节省能源、运行比较平稳等优点，但是印制板和各种元件的辐射热吸收率有较大差别，容易造成局部温差。全热风：通过对流喷射管嘴或者热风机来迫使气流循环，从而实现被焊件加热的焊接方式。印制板和元器件的温度接近给定加热温区的气体温度，所以客服了红外回流焊的局部温差，目前应用比较广泛。但是换热效率低，耗能较高。红外热风：在红外炉的基础上加上热风使炉内温度更加均匀，是目前比较理想的加热方式。充分利用了红外线穿透力强的特点，具有热效率高，节能等优点，是目前使用最普遍的焊接方式。1.2.3电子封装技术概述微电子行业是21世纪最有市场活力，最有发展潜力，包含最多高新科技的行业之一。电子产品的体积越来越小，重量变轻，携带更加便捷，更多功能，更加智能化，是电子产品未来的发展方向。特别是智能手机、笔记本电脑、数码相机等消费周期较短的电子产品，是未来电子市场上的重要组成部分。电子封装技术就是安装集成电路内置芯片外用的管壳，将构成电子器件的各个元件合理布置、组装、连接，有固定密封电子元件的作用，同时也能够保护集成电路内置芯片，增强了电子产品的环境适应的能力，布置在框架或者基板上，固定和连接，接线端子可引出导线，利用可塑性绝缘介质给予固定，形成了立体结构的工艺技术[3]。图1-2BGA封装示意图电子封装技术的主要功能是：（1）机械连接，即支撑和保护IC半导体芯片，（2）电连接，即使IC半导体芯片之间以和其他电子元器件间的电流相通（3）接收和传输各种信号（4）系统的热管理，即使导体芯片和其他电子元器件工作时产生的热量得到及时的散发。电子封装技术的发展与集成电路的开发息息相关。二十世纪七十年代，插装型封装技术成为主流，有最初的金属圆形（TO型）封装，后来的陶瓷双列直插封装（CDIP）、陶瓷-玻璃双列直插封装（CerDIP）和塑料双列直插封装（PDIP）；尤其是PDIP，由于性能优秀、价格低廉又能大批量生产而成为主流产品[3]。二十世纪八十年代，四边引线封装成为代表，并得到迅速的发展。二十世纪九十年代后，面阵列封装形式的诞生得到了人们的喜爱。同时集成电路封装得到了巨大的发展，因此集成电路封装中出现了球栅阵列（BGA）封装，并成为了世界主流技术，图1-2为BGA封装示意图。后来又研发出各种封装体积更小的CSP[3]。同时，多芯片组件（MCM）也相继迸发出蓬勃生机。由于电路密度越来越小，功能需求越来越高，3D封装和系统级封装（SysteminPackage，SIP）也开始走向世界舞台。本文研究的无阵列铅微焊点焊接温度场的载体便是球栅面封装的芯片（即BGA）。BGA是现今世界上最为热门的IC封装技术，该技术实现的封装CPU信号跟传统芯片相比传输延迟更小，适应频率可以有很大的提升空间。BGA封装技术具有如下优点：提高了芯片密度、增加了芯片性能、添加了多引脚封装。该技术实现了减小封装CPU信号传输延迟，调高了适应频率。采用了热增强型芯片的焊接方法，从而提高了它的电热性能。I/O引脚数大大增多，引脚之间的距离大于QFP，从而提高了组装成功率。该技术的组装可采用共面焊接的方式，从而能提高了封装的可靠性。但是，BGA封装占用基板的面积比较大是一个需要改良的缺点[3]。1.3无铅微焊点焊接温度场的研究现状焊接时金属构件连接的主要方式，也是BGA封装的重要过程。焊接过程中各个元件的不同部位所受到的温度是不相同的，这将导致BGA产生温差，也将导致BGA各个部位受热不均匀，焊料融化不完全，焊接不牢固等现象。因此，焊接温度场的仿真分析为解决在工程中遇到的各个问题提供了有利条件。近年来，国内外对于焊接温度场的研究取得了相当多的成果。西北工业大学材料学院的李娜，余心宏等人对无铅焊料的十个温度区的回流焊过程进行了仿真研究，通过对各个炉区的温度进行设定，设定了十个温度区间，考虑了回流焊接工艺参数传输带速度对温度场的影响，以及对焊膏融化温度曲线的研究。他们建立了大尺寸的PCB组件传热过程的数学模型。通过ANSYS软件，对无铅焊料PCB组件在十个温度区间回流焊接过程中的温度场进行了模拟仿真，从而确定了合适的焊接参数[7]。但是并没有模拟出焊料冷却过程的温度场，基于此基础上，添加了3个冷却温区，是比较适当的。西北工业大学材料学院的索小琳，余心宏等对元件布局对PCB回流焊温度场的影响进行了研究，针对某PCB无铅焊料回流焊工艺，建立了四种不同布局条件下PCB的有限元热分析模型，运用ANSYS仿真软件，模拟获得了不同布局条件下的回流焊过程的温度场分布。得到了不同元件布局会导致回流焊过程中温度场分布不同[20]。其仿真分析中并没有对冷却环节的温度场进行分析。北华航天工业学院的曹白杨，赵小青，梁万雷等人对回流焊温度曲线的热容进行研究，全面分析了回流焊温度曲线的回流焊工艺中的作用，回流焊工艺的工艺特点、影响回流焊温度曲线的各种因素。从热容的思想建立回流焊温度曲线，调整温度曲线通过控制温度曲线的方法改善工艺过程，减少了回流焊的工艺缺陷[19]。目前国外有关焊点温度场的研究主要集中在以下几个方面：研究回流焊的新工艺。研究和发展SMT焊点温度场的基础理论和相关技术。研究和改善SMT焊点本身的材料属性。1.4研究内容本文研究的方向是对BGA封装无铅微焊点焊接时的温度场进行仿真分析，以Sn3.5Ag0.75Cu无铅焊料作为研究对象，分别求出焊点在预热区，保温区，以及回流区的温度场分布云图。其中存在许多相关因素影响着无铅微焊点焊接时的温度场分布，在找出相关的因素后，对其进行仿真分析。利用ANSYS14.5有限元分析软件建立BGA封装体无铅微焊点的三维实体模型，求解出各个温度区间时焊点的温度梯度云图。具体内容为以下几点：建立BGA芯片与PCB组装的三维模型，施加温度、对流系数等载荷，对其进行温度场仿真分析；得出PCB组件和无铅微焊点分别在预热区、保温区、回流区还有冷却区的的温度分布云图和温度曲线；分析焊点、芯片、PCB板和整体BGA的温度分布云图和温度曲线图。

2相关的理论基础2.1传热基本原理热量的传递是自然界中普遍存在的一种物理。凡是有温度差存在的物系之间，就会导致热量从高温处流向低温处的传热过程。凡是传热问题，都遵循传热速率方程即：（2-1）式中：Q--冷流体吸收或热流体放出的热流量，K--传热系数；A--传热面积；--平均传热温差。传热的基本方式有三种，根据热量传递的机理不同，分为热传导、对流和辐射。（1）热传导。又称导热，是介质（介质主要是：气体，液体，固体，或者混合体）内无宏观运动时的传热现象，但只有在固体中才是纯粹的热传导，而流体处于静止状态时，由于温度梯度所造成的密度差而会产生自然对流，因此，在流体中对流与热传导同时发生。热传导可以定义为热量从物体的高温部分向同一物体的低温部分、或者从一个高温物体向一个与它直接接触的低温物体传热的过程。热传导遵循傅立叶定律：（2-2）式中为热流密度(W/m2)；为导热系数(W/m·℃)；“-”表示热量流向温度降低的方向[4]。对流传热。利用流体的位移运动，将热量从一个地方带到另一个地方的传递现象叫对流传热。在化工生产以及科学实验中的对流传热，一般指的是流体与固体直接接触时的热量传递。对流传热有两类：强制对流和自然对流。对流传热可以用牛顿方程来表述：（2-3）式中--对流换热系数；--固体表面温度；--周围流体温度。辐射传热。也可以称为热辐射，因为热而产生的电磁波在空间中快速的传递。物体可以将热能转换成为辐射能，以电磁波的形式在空气中传播，当电磁波传递到另外一个物体时，将会被其吸收而转化为热能。热辐射能够远距离传递能量，例如太阳能就是以热辐射的形式，经过漫长的宇宙空间传递到地球[4]。研究无铅微焊点焊接温度场时，我们主要关心的是热传导和对流传热。2.2焊接温度场焊件上（包括内部）某个时刻焊件上的的温度分布，我们称其为焊接温度场。温度场的表达式为：T=f（x，y，z，t）（2-4）式中：T工件上某点某瞬时的温度；x，y，z工件的空间坐标；t时间。焊接温度场一般用温度梯度曲线或等温平面的图形来表示。温度梯度曲线或等温平面将焊件上温度相等的点连接在一起，成为一条线或一个面，让我们更加清晰的看出温度的分布。焊接温度场的类型分为三种：（1）非稳定温度场：在一般的情况下，焊件上各个点的温度会随时间的改变而改变；（2）稳定温度场：在任何时间段，焊接温度场各点的温度都不会随时间而改变；（3）准稳定温度场：在一般的焊接条件下，一定长度的工件在热源上做匀速直线运动时，经过一段时间后焊接温度变化过程趋于稳定，形成了一个与热源同时运动的不变的温度场[7-8]。根据焊件尺寸和热源的性质也可以把温度场分为三种：（1）一维温度场（线性传热）：对于焊条或焊丝的加热（面热源，径向无温差，如同一个均温的小平面在传热）。（2）二维温度场（平面传热）：一次焊透的薄板，板厚方向无温差（线热源，把热源看成沿板厚的一条线）。（3）三维温度场（空间传热）：厚大焊件表面堆焊（点热源）。焊接温度场影响因素有很多。根据热源性质不同，其加热温度与加热面积不同，温度场的分布也就不同。热源越集中，加热面积越小，等温线分布越密集。采用等离子焊时，热量非常集中，加热范围仅仅只有几毫米。有效热功率与焊接速度对温度场的分布影响非常大[4]。2.4ANSYS14.5热分析的方法2.4.1ANSYS的简介随着计算力学、计算数学、工程管理学，特别是信息技术的飞速发展，数值模拟技术日渐成熟。工程分析领域应用中，有限单元法作为数值计算方法是最为广泛的，实用性强的一种计算方法，20世纪中叶之后，有限单元法因为它独有的计算优势和实用效益而获得了广泛的发展和应用，并由此得以产生了一批非常成功的通用和专业有限元软件。随着计算机技术发展迅速，各种新颖并实用的工程软件得到了工程师们的喜爱[9-10]。ANSYS公司于1970年创建，它开发出ANSYS模拟仿真软件和技术并在全球各地销售，它是世界范围内增长最快的CAE软件。以它的多物理场耦合分析功能而成为CAE软件的应用主流。现今这些产品和技术被各个领域的工程师和设计师所使用，包括航天、汽车、制造、电子和生物医学等[9]。ANSYS提供各种各样的工程仿真解决方案，这些方案基本上可以对设计过程要求的任何场进行工程虚拟仿真。ANSYS软件能够与多数CAD的三维软件结合使用，实现数据的交换和共享。ANSYS软件是一个大型通用有限元分析软件，它能够分析电场、融结构、流体、声场、磁场等，同时它拥有不断改进的功能菜单，包括：接触分析、结构高度非线性分析、计算流体力学分析、自适应网格划分、设计优化、电磁分析、大应变/有限转动功能，还有利用ANSYS参数扩展宏命令功能[9-10]。ANSYS的主要功能包括：结构分析：包括静力分析、模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析、特征屈曲分析和专项分析等；ANYSYS热分析：包括相变、内热源、热传导、热对流热辐射；ANSYS电磁分析：包括静磁场分析、交变磁场分析、瞬态磁场分析、电场分析、高频电磁场分析等；ANSYS流体分析：包括CFD（耦合流体动力）、声学分析、容器内流体分析、流体动力学耦合分析等；ANSYS耦合场分析：耦合场分析主要考虑的是两个或多个物理场之间的相互作用。如果两个或多个物理场之间会产生相互影响，那么单独求解一个物理场是不能得到正确的结果，ANSYS分析软件就能够将两个物理场组合到一起求解。例如，在电压分析中，需要同时求解电压分布（电场分析）和应变（结构分析）。ANSYS软件主要包含前处理，加载并求解和后处理等3个分析过程步骤：前处理是指在ANSYS中创建实体模型及有限元模型。它拥有一个强大的实体建模以及及网格划分工具平台，可以自由的定义单元属性，用户构造有限元模型非常方便。加载并求解，ANSYS中提供了多种载荷供给用户选择，有自由度、面载荷、体积载荷、惯性载荷等等，可以提供包括结构分析、声场分析、电磁场分析、流体动力学分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可以模拟仿真多种物理介质之间的相互作用，同时塔具有相当灵敏度的分析优化能力[9-10]。后处理，ANSYS拥有两个后处理器；一个是通用后处理：可以观察并分析出模型在某一时刻的结果，也是最常用的处理器。第二个是时间历程后处理器：可以观察并分析出模型在不同时刻或不同载荷步上的结果，使用者一般会在瞬态分析和动力分析中使用。后处理器可以将使用者的设计计算出来并将得到的结果用彩色梯度、等值线、粒子流迹显、立体切片、矢量、透明及半透明等图形方式显示出来，方便使用者的使用，也能够将计算结果用图或者曲线的方式输出[9-10]。2.4.2ANSYS14.5新特性ANSYS14.5包含大量全新的高级特性，为客户提供强化复杂工程仿真解决方案，并革新驱动高性能计算动作。ANSYS14.5采用的工作平台简化了各种仿真设计应用的工作流程，方便了工程师的使用。同时，ANSYS14.5提供多种关键的多物理场解决方案，简化了高度复杂的场计算，前处理和网格划分强化功能，使建模更加便捷，以及一种全新的参数化高性能计算（HPC）许可模式，可以使工程师在设计探索工作时更具扩展性。ANSYS14.5可以允许流体（ANSYSFluent）仿真和电磁（ANSYSMaxwell）仿真之间进行双向耦合，操作更加简单。此外单向热流体结构相互作用（FSI）的功能在ANSYS系统耦合场中更为简便，使设计更加清晰明了。双向耦合力、位移以及变形的FSI可靠性得到了极大改良，使工程师能够更快速、更轻松，更简洁明了地对完整产品进行深入了解，同时也使设计充满活力。2.4.3ANSYS热分析ANSYS热分析在许多工程应用中发挥着重大的作用，它用于计算和分析一个系统或者一个部件的整体或部分温度的分布以及其他热物理参数[9-10]。ANSYS热分析拥有复杂的公式计算能力，遵循能量守恒原理的热平衡方程，它可以用有差分法，本构方程等复杂公式来计算节点的温度变化，如果有需要还可以求出各种热物理参数。在ANSYS热分析包括3种热传递方式：热对流、热传导以及热辐射。ANSYS热分析分为两种：（1）稳态传热，系统中的整体温度场每个时刻的温度都相同。对系统或部件上施加的热载荷就可以用稳态热分析。通常首先进行稳态热分析，确定初始温度分布，之后再进行瞬态热分析。由于稳定的热载荷引起的温度、热梯度、热流率和热流密度等参数都可以用稳态热分析来计算确定。（2）瞬态传热，在温度传导系统中温度场的每个时刻的温度都在变化。当计算一个随时刻而变化的温度场和其他参数时，工程师都会利用瞬态热分析来处理。瞬态热分析与稳态热分析的主要区别是，瞬态热分析中的温度载荷随时间而改变。利用载荷步来表达载荷-时间曲线，可以直观而准确的表达随时间变化的载荷。热处理分析基本步骤如下：进行热分析。热分析包括稳态热分析与瞬态热分析过程。重新进入前处理器，转换单元类型。设置结构分析中的材料属性。读入热分析结果并将其作为载荷。指定参考温度。求解及后处理。2.4.4瞬态热分析步骤非稳态传热是会随时间而发生变化的温度场的传热过程。在自然界或是在绝大数工程中，绝大部分传热过程都是非稳态传热。按照这种传热方式进行的特点，可以分成非周期性传热和周期性传热两种。周期性的传热过程中，吸收热量的物体内的温度以一定的规律，随时间的变化而产生周期性地变化。如果传热过程中有非周期性变化的温度场，物体内的温度将会随着时间的改变而不断改变，并在经过一段时间之后逐渐的接近周围物体的温度。这种传热过程也可以称为稳为瞬态传热[8]。ANSYS14.5中瞬态热分析的基本步骤包括建立有限元模型、施加载荷、求解与后处理。

3无铅微焊点焊接温度场仿真分析3.1无铅微焊点三维实体有限元模型的建立本文以某品牌手机芯片为例，建立了PCB组件中的PCB、铜质焊盘、焊点和芯片的几何模型。将建立的PCB模型分为三层结构，由芯片基板、焊球阵列以及PCB板所组成，其中焊球以规则的矩阵（4*4）排布，半径为0.04mm，焊球中心距为0.1mm。建立BGA的三维模型时为方便几何模型的建立，作以下简化:球为截顶球体。PCB组件中所有焊球，呈轴对称分布。焊点致密，无空穴、气孔等缺陷。实际上PCB的铜质线路的分布是十分复杂的，在本次仿真中进行了简化，不考虑线路问题。3.1.1选择单元类型ANSYS软件提供了大量的单元类型让用户选择自己所需要的，要想使模拟仿真贴近事实情况，就必需要正确的选择合适的单元类型，选择不恰当的单元将会造成运算错误，并发生终止现象，导致模拟的失败。本次试验的是PCB组件焊点的瞬态热分析，所以需要选择与热分析相关的单元。在ANSYS热分析中涉及到的单元大约有40种，其中纯粹用于热分析的单元类型有14种[10]。常用的热分析单元有SOLID70和SOLID90两种。SOLID70是一种最为常用的的热分析单元类型，，拥有8个节点，每个节点有一个温度自由度，而SOLID90是SOLID70的高阶形态，有20个节点的三维热实体单元。为了使焊点部分的温度场更加精确，本文采用SOLID90作为焊点单元，其余部分采用SOLID70单元。选择单元类型的GUI操作：MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete同样可以使用用命令流操作，更加方便：/PREP7ET,1,SOLID70!定义热分析单元solid70ET,2,SOLID90!定义热分析单元solid903.1.2定义材料性能参数本次模拟仿真的实体模型由三部分组成，下底为PCB板材料为FR4，中间焊点采用的材料为无铅材料Sn3.5Ag0.75Cu，顶面芯片材料为硅，焊盘为Cu。详细参数如下表3.1：表3.1各材料的参数温度θ/℃比热Cp/（J·g-1·℃-1)导热系数λ/(W·m-1·℃-1)密度ρ/(kg·m-3）铜FR4芯片铜FR4芯片铜FR4芯片200.3561100700521.50.29148.0889318592330800.3751400720532.01200.3881500760539.01600.4001550800546.02000.4121600900553.32250.42016101050557.72400.4251640900560.0Sn3.5Ag0.75Cu比热Cp/（J·g-1·℃-1)导热系数λ/(W·m-1·℃-1)密度ρ/(kg·m-3）参数0.114257310在利用ANSYS软件进行仿真时，参数的定义是否准确表示着仿真模拟的结果是否与事实情况相近。所以选择参数时需要贴近实际情况，抱着严谨，科学的态度。设置材料属性的GUI操作：MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>materialmodel.也可以使用命令流进行设置参数属性：MP,KXX,1,25!定义焊点材料热传导率MP,C,1,114!定义焊点材料比热容MP,DENS,1,7310!定义焊点材料密度MP,KXX,2,148!定义芯片材料热传导率MP,C,2,700!定义芯片材料比热容MP,DENS,2330!定义芯片材料密度MP,KXX,3,0.29!定义FR4材料热传导率MP,C,3,1100!定义FR4材料比热容MP,DENS,3,1859!定义FR4材料密度MP,KXX,4,521.5!定义铜基材料热传导率MP,C,4,356.8!定义铜基材料比热容MP,DENS,4,8893!定义铜基材料密度3.1.3三维模型的建立与网格划分根据某品牌手机超小芯片模型，简化模型，利用几何结构轴对称性、载荷轴对称和边界条件轴对称等条件，建立实体模型的四分之一有限元模型。利用创建实体素命令，建立一个球体、小圆柱和长方体，利用布尔运算中的相交逻辑运算，对球体，小圆柱和长方体进行处理，产生一个截顶球体，然后利用复制命令，在工作平面建立16个呈4*4排列，半径为0.4mm的焊球阵列，各焊球中心距为1.5mm。然后在焊球层的下面建立PCB板。最后把所有的实体通过粘结命令粘成一个整体。建立好三维实体后，采用自由网格化分法。ANSYS网格划分工具是最常用的网格划分控制和网格划分操作的便捷途径，它可以控制SmartSizing水平；设置单元尺寸控制；指定单元类型；指定网格划分类型；对实体模型图元划分网格；清楚网格；细化网格等等。网格划分是整个分析中最重要的步骤之一，因为此阶段得到的有限元网格将决定仿真模拟结果的准确性。四分之一的三维实体模型中，共有三部分组成，下底为PCB板，具体尺寸参数如表3.7所示，上顶为芯片基板，具体尺寸参数固定不变，如表3.7所示。表3.7四分之一的三维实体模型的尺寸参数（单位:mm）几何参数PCB板芯片基板长1.20.6宽1.20.66厚0.120.12在ANSYS14.5中创建了如上表格所示参数的三维立体模型，如图3-1（a）所示的四分之一三维实体模型。对整体进行自由网格化分法，建立了如图3-1（b）所示网格化分后的实体模型。在采用自由网格化分法中，必须对应材料性能参数。四分之一的三维实体有限元模型（b）网格化分后的实体模型图3-1PCB组件有限元模型3.2施加载荷网格化分完成之后后，就进入了施加载荷阶段。ANSYS有限元分析能够对施加的载荷进行检查，结构或者构件会在一定载荷条件下对ANSYS进行的响应。因此，在ANSYS分析过程总中指定合适的载荷条件是制作模拟仿真关键的一步。在ANSYS中，载荷包括边界条件和内部作用力函数、外部条件等[10]。本文研究的内容是无铅微焊点焊接温度场仿真分析，焊点在热风回流焊炉中经过四个过程，包括预热阶段，保温阶段，回流阶段和冷却阶段。其中每个过程中有分为不同温度区域，参数见下表3-2。预热区对PCB组件进行预热，温度由80-185度，保温区是为了对无铅焊料进行加热，回流区到达焊料熔融温度，焊料融化形成焊点。在进行热分析时，设定外部环境为20℃，设定本次分析为瞬态热分析。ANSYS热分析中默认温度单位为华氏度，需要将其更改为摄氏度，也可以采用设置温度偏移量的方式对温度进行修正。因为温度的变化会导致比热，导热系数，以及对流换热系数的改变，所以载荷的施加非常繁琐。同时又有十三个温度区，所以使用载荷步的方式对模型进行加载热对流系数和温度载荷。保存每一步载荷步之后，施加载荷完成。表3-2BGA器件加热过程表温区预热区保温区回流区冷却区时间20406080100140180240260300320330360温度801401501801852002102152452802201801303.3求解与后处理实施载荷之后，就需要利用特定的求解控制器来制定求解类型，单元解通常是在单元的公共点上计算出来的，ANSYS软件程序可以将结果写入数据库和结果文件中[10]。本文使用多载荷步来对模型进行求解。后处理可以检查ANSYS分析之后的结果，这个ANSYS分析中最重要的一个模块。通过后处理的相关操作，可以得到分析过程中感兴趣的参数和结果，更好的为实际服务。将所需要的结果存入数据库，就可以通过图像显示、表格和曲线的方式得到所需要的数据。POST1最常用的后处理器。PCB组件整体第10温区温度场分布等值线图（b）无铅微焊点焊接的第9温区温度场分布等值线图图3-2PCB组件的温度场分布等值线图热分析完成后，就可以查看温度分布情况。PCB组件热分析结果如图3-2所示。由于PCB板比较厚，焊接过程中，PCB板内部存在的温度没有焊点和芯片基板的温度高。从图3-2（a）中可以看出温度最大值分布在PCB边缘，越是中心的基板的区域，温度越低。从图3-2（b）中可以看出焊点的温度分布为靠近PCB边缘温度越高，中心位置则逐渐减少，最高温度值分布在和空气相接触的上底面，温度分布呈现由外向里递减的趋势，最大值出现在最外围的焊点上。而芯片基板相对于PCB板来说比较薄，但与空气接触面积不大，通过空气对流向空间散发的热量少，所以整体温度分布也较高。3.4本章小结利用ANSYS有限元软件对无铅微焊点焊接温度场进行有限元分析基本完成，本次分析主要难点在于如何对PCB组件的表面加载对流换热系数，经过查询资料以及各种方法的试验，得出最佳的加载方式为利用表面节点对PCB组件加载对流换热系数，同时需要删除重复节点。

4无铅微焊点焊接温度场分析4.1PCB整体组件焊接温度场分析当PCB组件进入回流焊炉之后，回流焊炉对PCB组件整体进行加热，图4-1,4-2,4-3分别为PCB板，无铅微焊点，芯片的加热曲线，4-4为将三个曲线组合，更加清晰明了。图4-1PCB板的温度曲线图图4-2无铅微焊点的温度曲线图图4-3芯片的温度曲线图图4-4三种材料的组合温度曲线图大多数回流焊接工艺中都能拥有四个基本温区的温度曲线，回流焊炉的温区越多，是能够使实际温度曲线达到理想温度曲线。由以上三个温度曲线可以看出，无铅材料的温度曲线变化最大，原因是无铅材料的导热能力最强，其次是芯片，PCB板的导热能力最弱，所以温度变化最缓慢。其中根据曲线的变化规律还可以了解到，在预热阶段各种材料的温度上升速率较为平稳，到保温阶段升温速率开始下降，而回流阶段，各种材料的温度急剧上升。4.1.1预热区在预热阶段初始时期，将PCB的温度从周围环境温度提升到所需的活性温度，PCB组件温度上升最快，由图4-5到4-7可以看出，温度从PCB组件边缘开始升高，渐渐传导入PCB组件内部，此时存在温度差，最大温度为PCB组件边缘，为176.5摄氏度，最低为PCB组件中心，温度为156.3摄氏度。此阶段的主要目的是为了使整个PCB组件升高温度，为下一阶段做准备。图4-5第一至第二温区图4-6第三至第四温区图4-7第五温区4.1.2保温区在保温阶段，PCB组件各个区域温度变化不大，如图4-8到4-10所示，在这个阶段中，尽量使各个元件的温度趋于稳定，组件各个部分充分均匀加热，各个部位的温度差异很小，温度最高区域与温度最低区域的温度差异只有3.2度。并使焊料中的助焊剂得到充分的挥发。图4-8第六温区图4-9第七温区图4-10第八温区4.1.3回流区图4-11第九温区图4-12第十温区在回流阶段，是无铅材料达到熔融温度的阶段，也是焊接最重要的阶段。在这个阶段中，将PCB的温度从活性温度提高到合金的熔点温度以上，大约40摄氏度。这个阶段的工作时间大约是40S。无铅焊膏融化，整个PCB组件温度比较均匀，最高温度达到273摄氏度。各个元件温度差异很小。4.1.4冷却区在冷却区阶段，融化后的无铅焊料由于温度的降低，充分湿润的无铅焊料连接了PCB板和芯片，形成球形焊点。在这个阶段需要尽快冷却，有助于合金晶体的形成。由图4-13到4-15可以看出，PCB组件的温度由中心区域向四周开始慢慢冷却。其中温度最高为PCB组件中心，最低为PCB组件边缘。图4-13第十一温区图4-14第十二温区图4-15第十三温区4.2无铅微焊点焊接温度场分析无铅微焊点是本次仿真分析最重要的部分，其中在回流阶段无铅焊料能否达到熔融温度，达到熔融温度的时间是否足够焊料融化，各个区域是否均匀受热，是本次仿真的关键所在。图4-16到4-18分别为温度最高焊点、中心焊点和温度最低焊点的时间-温度曲线。从曲线图中可以看出，各个焊点的温度差异不大，升温速度和降温速度基本相同，达到熔融温度后时间为80s，可以使焊料充分融化。图4-16最高温度曲线图4-17中心位置温度曲线图4-18最高温度曲线4.2.1预热区在预热阶段，主要目的是为了让焊料提高温度，使焊料内部受热均匀。在预热阶段有5个温度区间，为了能够确保焊料温度缓慢稳定提高。图4-19到4-21为焊点在预热阶段三个不同时期的温度场分布云图。可以看出，从预热开始时，温度从边缘开始升高，渐渐的开始向中心蔓延。到预热结束时，各个焊点温度基本分布均匀，温差只有0.5摄氏度。这个结果符合现实焊接结果。图4-19第1、3温区图4-20第3、4温区图4-21第5温区4.2.2保温区在保温阶段，加热炉的温度上升是非常缓慢的。所以设置了3个温度区间200摄氏度到215摄氏度。这个阶段的主要目的是使焊点各个区域稳定并均匀的提高温度，下一阶段回流阶段做准备。图4-22到4-23为保温区焊点温度场分布云图。看以看出各个焊点温度基本相同，最高温度于最低温度温差只有0.01摄氏度。图4-22第6温区图4-23第7温区4.2.3回流区在回流阶段，是无铅焊接最为重要的阶段，在这个阶段，温度升高达到无铅材料的熔融温度，无铅材料缓慢融化，经过一段时间后，无铅材料完全融化。如图4-24到4-26所示。当无铅焊料达到240摄氏度以上时，焊料达到熔融温度开始融化，经过40S时间，无铅焊料最高温度达到278摄氏度，无铅焊料完全融化。图4-24第8温区图4-25第9温区图4-26第10温区4.2.4冷却区冷却阶段是融化后的无铅焊料凝固形成无铅微焊点并将PCB板与芯片焊接的重要过程。本次仿真为了贴近实际情况，将冷却阶段分为三个冷却温度区间，如图4-27到4-29所示。图4-27第11温区图4-28第12温区图4-29第13温区无铅焊料的温度从278摄氏度开始下降，到210摄氏度时充分融化并湿润的焊料开始冷却凝固，直到熔炉温度降低到150摄氏度时，无铅焊料完全凝固，形成无铅微焊点，将PCB板和芯片焊接在一起。4.3本章小结本章的主要内容是模拟仿真PCB组件和无铅焊料分别在预热