基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的波峰焊用釬料改性研究

馮澤虎

（淄博職業(yè)學(xué)院，淄博 255314）

0 引言

在電子產(chǎn)品的組裝與連接過程中，波峰焊是必不可少的焊接方法之一。波峰焊用釬料性能的好壞直接影響到電子產(chǎn)品的使用性、可靠性和安全性。Sn99.3Cu0.7是一種常用的波峰焊用釬料，但是隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展和波峰焊技術(shù)的進(jìn)步，Sn99.3Cu0.7釬料難以滿足市場的需求，迫切需要進(jìn)一步提高其各項性能，尤其是迫切需要提高該釬料的可焊性同時降低其熔點。合金化是釬料改性的常用有效方法，但是合金元素繁多，而且各個合金元素對釬料的影響不用，其影響程度也是非線性關(guān)系，如果單純依靠試驗手段將耗費(fèi)大量的人力、物力和財力，而且難以形成系統(tǒng)的研究。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一種新型的人工智能技術(shù)，隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已在性能預(yù)測、工藝優(yōu)化、銷售預(yù)測、成本預(yù)測、利潤預(yù)測等方面得到了較多的應(yīng)用[1～4]。為此，本文基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，進(jìn)行了波峰焊用Sn99.3Cu0.7釬料的改性研究。

1 構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

波峰焊用Sn99.3Cu0.7釬料的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改性模型，采用6×24×8×2四層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸出層傳遞函數(shù)選用purelin函數(shù)，隱含層傳遞函數(shù)則選用tansig函數(shù)。為了提高預(yù)測精度采用了兩個隱含層，主要用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部運(yùn)算，其節(jié)點參數(shù)分別為24個和8個；輸出層主要用于輸出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理結(jié)果，采用2個節(jié)點參數(shù)，分別是：可焊性、熔點；輸入層主要用于接收外部信號和數(shù)據(jù)，采用6個節(jié)點參數(shù)，分別為：Bi含量、In含量、Sr含量、Ag含量、Y含量、Ce含量，構(gòu)建最多五元的SnCu基釬料合金。其中，Bi含量的取值范圍為：0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1.0%、1.1%、1.2%、1.3%、1.4%、1.5%；In含量的取值范圍為：0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%；Sr含量的取值范圍為：0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%；Ag含量的取值范圍為：0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%、1.0%；Y含量的取值范圍為：0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%；Ce含量的取值范圍為：0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%。

圖1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)簡圖

在構(gòu)建波峰焊用Sn99.3Cu0.7釬料神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改性模型時，為了確保神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入?yún)?shù)絕對值適中和各參數(shù)地位同等，采用歸一法進(jìn)行了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各輸入?yún)?shù)的處理，并采用歸一法逆運(yùn)算將輸出單位還原為原始輸出單位[5]。

2 試驗材料與方法

2.1 試樣材料

本試驗以波峰焊用Sn99.3Cu0.7釬料為基礎(chǔ)，添加不同含量的Bi含量、In含量、Sr含量、Ag含量、Y含量、Ce含量，構(gòu)建最多五元的SnCu基釬料合金。合金在ZG-25AZ型真空中頻感應(yīng)熔煉爐中進(jìn)行制備，并采用鐵模澆筑，上述六種合金元素均以商用中間合金方式添加。

2.2 試驗方法

釬料合金的化學(xué)成分，采用SPECTRO XEPOS型X射線光譜儀進(jìn)行測試分析；其熔點采用STA 449 F1型TG-DSC測試儀進(jìn)行測試；其可焊性采用SAT-5100型可焊性測試儀，依據(jù)IPC-TM-650標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗方法進(jìn)行測試，測試條件：標(biāo)準(zhǔn)銅片浸漬深度10mm、釬料合金浸漬深度5mm、浸漬速率23mm/s、浸漬時間5s、焊接溫度255±3℃。采用最大潤濕力來表征釬料合金的可焊性；其顯微組織用PG-15型金相顯微鏡和JSM6510型掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察。

3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練、預(yù)測和應(yīng)用

3.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的學(xué)習(xí)訓(xùn)練

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的學(xué)習(xí)訓(xùn)練參數(shù)如下：學(xué)習(xí)速率0.15、動量項系數(shù)0.6、最大循環(huán)系數(shù)10000次、訓(xùn)練誤差0.00001。訓(xùn)練樣本庫為上述試驗獲得的32組樣本數(shù)據(jù)。模型的學(xué)習(xí)訓(xùn)練采用“留一法”，即對32組訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)編號后，先取出1組樣本數(shù)據(jù)，用剩下的31組樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的學(xué)習(xí)訓(xùn)練；然后用學(xué)習(xí)訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型去計算先前取出的那1組樣本數(shù)據(jù)；再把經(jīng)過計算的這1組樣本數(shù)據(jù)放回訓(xùn)練樣本庫；下一步再從訓(xùn)練樣本庫中取出另1組未經(jīng)計算的樣本數(shù)據(jù)，重復(fù)上述操作，直到所有的樣本數(shù)據(jù)都被取出計算為止。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型輸出的可焊性和熔點的訓(xùn)練誤差，如圖2所示。從圖2可以看出，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出的可焊性訓(xùn)練值相對誤差在1.1～2.8%之間，平均相對訓(xùn)練誤差為1.9%；輸出的熔點訓(xùn)練值相對誤差在1.3～2.6%之間，平均相對訓(xùn)練誤差為1.8%。由此可以看出，本試驗構(gòu)建的波峰焊用Sn99.3Cu0.7釬料神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改性模型能較好的反應(yīng)各輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，能較真實的反應(yīng)Bi含量、In含量、Sr含量、Ag含量、Y含量和Ce含量對波峰焊用Sn99.3Cu0.7釬料可焊性和熔點的影響，可用于波峰焊用Sn99.3Cu0.7釬料的改性預(yù)測。

圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練結(jié)果

3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測驗證

經(jīng)過學(xué)習(xí)訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型要用于實際的波峰焊用釬焊改性研究，需要先進(jìn)行模型的預(yù)測能力和預(yù)測精度的驗證。驗證樣本為未經(jīng)學(xué)習(xí)訓(xùn)練的6組試驗數(shù)據(jù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測驗證結(jié)果，如圖3所示。從圖3可以看出，對于未經(jīng)學(xué)習(xí)訓(xùn)練的樣本數(shù)據(jù)，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型輸出的可焊性預(yù)測值相對誤差在1.7～2.9%之間，平均相對預(yù)測誤差為2.2%；輸出的熔點預(yù)測值相對誤差在1.5～2.8%之間，平均相對預(yù)測誤差為2.1%。由此我們可以看出，本試驗構(gòu)建的波峰焊用Sn99.3Cu0.7釬料神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改性模型具有較好的預(yù)測能力和較高的預(yù)測精度，可用于波峰焊用Sn99.3Cu0.7釬料的改性研究，以期獲得具有較好綜合性能的最多五元的SnCu基釬料合金。

3.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的實際應(yīng)用

圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測結(jié)果

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，預(yù)測出的具有最佳可焊性和熔點的最多五元的波峰焊用SnCu基釬料合金的相關(guān)參數(shù)，如表1所示。上述預(yù)測的優(yōu)選配比五元SnCu基釬料合金熔煉后的成分分析結(jié)果，如表2所示。合金的TG-DSC曲線，如圖4所示。從圖4可以看出，該優(yōu)化合金的熔化峰值溫度為207.2℃，與預(yù)測值206℃僅相差1.2℃；熔化起始溫度為204.4℃，且該優(yōu)化合金熔點較波峰焊用Sn99.3Cu0.7釬料熔點（約227℃）下降了近20℃，可以有效降低焊接溫度，減小元器件的承受溫度且節(jié)約能源。

表1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測的最佳釬料參數(shù)

表2 優(yōu)化釬料合金的化學(xué)成分

圖4 優(yōu)化釬料合金的TG-DSC曲線

該波峰焊用優(yōu)化釬料合金（Sn-0.7Cu-0.9Bi-0.2In-0.4Y）的焊點顯微組織，如圖5所示。從圖5可以看出，該優(yōu)化釬料合金的外觀組織具有等軸晶的典型共晶組織，組織較為細(xì)密，對光的反射較為強(qiáng)烈，焊點光亮度好。圖6是波峰焊用優(yōu)化釬料合金（Sn-0.7Cu-0.9Bi-0.2In-0.4Y）焊點的界面SEM照片。從圖6可以看出，釬料的組織較為細(xì)小致密、金屬間化合物層較薄，焊點界面結(jié)合較為致密。由此可以看出，優(yōu)化后的波峰焊用釬料合金具有較為細(xì)小、致密的顯微組織，焊點界面結(jié)合好，具有較好的實用價值。

圖5 優(yōu)化釬料合金焊點的顯微組織

圖6 優(yōu)化釬料合金焊點的界面SEM照片

該波峰焊用優(yōu)化釬料合金（Sn-0.7Cu-0.9Bi-0.2In-0.4Y）的可焊性測試結(jié)果，如表3所示。從表3可以看出，該優(yōu)化釬料合金的潤濕（零交）時間為0.42、最大潤濕力3.72，僅較最大潤濕力預(yù)測值大1.92%，且該釬料合金的可焊性較好，具有較強(qiáng)的實用性。

表3 優(yōu)化釬料合金的可焊性測試結(jié)果

4 結(jié)論

1）采用6×24×8×2四層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以Bi含量、Co含量、RE含量和P含量為輸入層參數(shù)，設(shè)計最多五元的SnCu基釬料合金，以可焊性和熔點為輸出層參數(shù)，可以構(gòu)建具有較高預(yù)測精度的波峰焊用Sn99.3Cu0.7釬料的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改性模型。

2）波峰焊用Sn99.3Cu0.7釬料的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改性模型輸出的可焊性訓(xùn)練值相對誤差在1.1～2.8%之間、預(yù)測值相對誤差在1.7～2.9%之間，輸出的熔點訓(xùn)練值相對誤差在1.3～2.6%之間、預(yù)測值相對誤差在1.5～2.8%之間。

3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的波峰焊用SnCu基釬料合金成分為Sn-0.7Cu-0.9Bi-0.2In-0.4Y，合金熔化峰值溫度為207.2℃、起始溫度為204.4℃，熔點較波峰焊用Sn99.3Cu0.7釬料熔點下降了近20℃，合金具有較好的可焊性，焊點組織細(xì)小、金屬間化合物層較薄，焊點界面結(jié)合較為致密。

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