基于ANSYS Workbench的回流焊熱分析及二次開發(fā)

□ 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(jì)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(chǎng)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(duì)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(chǎng)，根據(jù)回流焊的實(shí)際工況進(jìn)行建模仿真，采用對(duì)流面分段加載的方法來模擬進(jìn)出各個(gè)爐區(qū)的效果。使用Visual Basic語言和ACT模塊對(duì)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(duì)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(diǎn)自動(dòng)劃分單元的方法，并對(duì)LTCC基板上槽的四周進(jìn)行細(xì)化，得到節(jié)點(diǎn)數(shù)為94464、單元數(shù)為359586。

▲圖2 單元?jiǎng)澐中Ч麍D

1.3 邊界條件

對(duì)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(duì)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(duì)流傳熱系數(shù)為 18～20（W/m2·K），氣體的強(qiáng)制對(duì)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(cè)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(gè)明確具體的劃定界限，國際標(biāo)準(zhǔn)資料只給出檢測(cè)溫度曲線各個(gè)參數(shù)上下限的參考值。由于陶瓷器件對(duì)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(gè)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(gè)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(gè)區(qū)域﹐溫度緩升以利焊錫中的部分溶劑及水汽能夠及時(shí)揮發(fā)，但是由于零部件的各個(gè)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(shí)焊錫處于融化前夕，焊膏中的揮發(fā)物會(huì)進(jìn)一步被去除﹐活化劑開始啟動(dòng)﹐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(gè)區(qū)域，時(shí)間維持約60～90 s?；亓鲄^(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(diǎn)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(diǎn)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(huì)造成冷焊和潤濕不良的缺陷。

▲圖3 溫度曲線各個(gè)參數(shù)的參考標(biāo)準(zhǔn)

KIC2000爐溫測(cè)試儀是實(shí)時(shí)測(cè)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(gè)熱電偶都能使用其獨(dú)特的工藝窗口，并且軟件能自動(dòng)給出最佳的爐溫設(shè)置值。工藝窗口主要含有兩個(gè)工藝指數(shù)，如圖4所示，分別為各階段的時(shí)間和制程工藝指數(shù)（PWI），其中時(shí)間表示焊錫在該階段停留的時(shí)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(shí)，表示這個(gè)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(xiǎn)的，因?yàn)樗硎竟に嚭苋菀壮隹刂啤WI的計(jì)算方法為：

式中：χ為實(shí)際檢測(cè)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(yàn)和知識(shí)固化下來，同時(shí)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(duì)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(diǎn)擊16×16像素的圖標(biāo)來調(diào)用VB程序，這個(gè)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(huì)出現(xiàn)SMT擴(kuò)展程序，如圖7所示，否則在extension log file中會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)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(duì)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(shí)間過短，會(huì)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(shí)間也都存在隱患，可能會(huì)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(píng)價(jià)溫度曲線是否合適，因?yàn)榍€的每一個(gè)參數(shù)都會(huì)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(gè)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(duì)爐溫和傳送帶速進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。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(jì)算，求解結(jié)果如圖9所示。浸泡時(shí)間、峰值溫度和回流時(shí)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(gè)爐區(qū)溫度設(shè)置

3 結(jié)論

由以上的分析和計(jì)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(jì)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(gè)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(cè)試儀KIC2000溫度曲線的評(píng)定，可以直觀地發(fā)現(xiàn)預(yù)熱時(shí)間、保溫時(shí)間、回流時(shí)間等是否符合工藝要求，進(jìn)而對(duì)爐區(qū)的溫度和傳送帶速進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(chǎng)前處理系統(tǒng) ［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，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(chǎng)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(duì)焊接質(zhì)量的影響［J］.青海大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，27（2）：13-15.