焊錫中氣泡對電子元件熱傳導(dǎo)的影響

寧澤群

東莞長城開發(fā)科技有限公司

摘要：電子元件由于具有重量輕、體積小等特點，會使其單位體積內(nèi)產(chǎn)生很多的熱量，所以需對由于熱量而引起的電子元件失效問題加以關(guān)注。同時，電子元件的這種特點對其組裝密度提出了更高的要求，使得如何保證焊錫質(zhì)量成為一個日漸重要的問題。焊接過程當(dāng)中的操作不當(dāng)很有可能會使焊錫產(chǎn)生氣泡，從而影響電子元件的熱傳導(dǎo)性。本文采用基于ANASYS的有限元分析，建立了一種空調(diào)中電子元件的三維模型，采用“生死單元”技術(shù)來模擬電子元件焊錫中不同大小和不同位置的氣泡情形，并進行熱傳導(dǎo)的模擬計算。結(jié)果證明：當(dāng)氣泡占焊錫體積達到4/49的時候，氣泡對電子元件熱傳導(dǎo)的影響開始明顯化；當(dāng)氣泡在焊錫邊緣的時候，對電子元件的熱傳導(dǎo)影響更大。

關(guān)鍵詞：焊錫；氣泡；電子元件；熱傳導(dǎo)

一、引言

近幾年，電子設(shè)備逐漸微型化，電子封裝密度也有了很大的提高，這就使得熱設(shè)計愈加重要。電子元件由于具有重量輕、體積小等特點，會使其單位體積內(nèi)產(chǎn)生很多的熱量，使得溫度成為影響多芯片組件以及電子元器件可靠性的一個很重要的因素[1，2]。此外，電子產(chǎn)品由于具有“輕、薄、短、小”等特點，這就對電子元器件的微型化以及組裝密度提出了更高的要求，使得如何保證焊錫質(zhì)量成為一個日漸重要的問題。焊錫質(zhì)量和可靠性決定了電子元件的質(zhì)量，但當(dāng)焊接操作不當(dāng)?shù)臅r候會使焊錫產(chǎn)生很多氣泡，這就會對電子元件的溫度傳導(dǎo)以及分布產(chǎn)生很大的影響。

二、有限元模型

（一）元件結(jié)構(gòu)

整個電子元件從上到下總共有8層，分別是密封膠、芯片、熱擴展層、無錯焊錫、電路圖案、熱絕緣層以及基板[3]。芯片分別位于基板的不同位置，焊錫層厚度都是0.05mm。加熱的對象是加熱芯片，熱邊界條件為：加熱后15s開始對加熱芯片加熱，使其溫度從293K升到403K；內(nèi)部各種材料建議傳導(dǎo)方式進行傳熱，并且服從傅里葉傳熱定律；在模型的外部，當(dāng)進行加熱時要使密封膠的上表面同基板的下表面通過與空氣自然對流進行散熱，并保證周圍環(huán)境絕熱。對流傳熱主要服從牛頓冷卻定律，周圍空氣溫度取293K，對流的換熱系數(shù)取10W/（m2·K）。圖1為電子元件的平面視圖、加熱芯片以及各芯片的截面視圖。

圖1 EC的平面視圖和芯片界面視圖

（二）有限元模型

圖2為用ANASYS建立的三維模型圖和網(wǎng)格劃分圖：

圖2 EC有限元模型和EC內(nèi)部模型

模型中的部件進而材料屬性如表1：

表1 模型組成和材料屬性

三、模擬實驗

（一）“生死單元”技術(shù)

主要采用有限元方法來研究焊錫當(dāng)中氣泡的大小以及位置對電子元件熱傳導(dǎo)所產(chǎn)生的影響，其中采用了有限元當(dāng)中的生死單元技術(shù)。生死單元就是在模型當(dāng)中加入或者刪除材料，從而使模型當(dāng)中相應(yīng)的單元“生”或者“死”。若想實現(xiàn)“單元死”的效果，要將其剛度矩陣同一個很小的因子相乘[4]。此時，死單元的阻尼、質(zhì)量、載荷、熱比容以及其他類似的效果都會被設(shè)為零，這就能利用“殺死單元”來模擬不同大小和不同位置的氣泡，而避免每次都重新建立模型，從而有效節(jié)省計算量。

（二）氣泡模擬

為方便模擬，本文將氣泡形狀統(tǒng)一為長方體，并忽略氣泡當(dāng)中空氣的傳熱。高溫焊錫部分（有氣泡及無氣泡時）的有限元模型圖如圖3所示，按照氣泡在整個高溫焊錫的體積所占比：無氣泡（圖3（a））、占1/49（圖3（b））、4/49（圖3（c））、6/49（圖3（d））以及9/49（圖3（e）），氣泡在焊錫的中間位置；氣泡占焊錫體積比為4/49（圖3（f）），在焊錫邊緣位置。

圖3 高溫焊錫當(dāng)中氣泡大小和位置模擬

四、結(jié)果分析

（一）由溫度分布圖來觀察氣泡對熱傳導(dǎo)的影響

氣泡所在的那個部位單元被殺死，不能直接觀察氣泡所在的位置的溫度情況，這對傳熱結(jié)果的觀察非常不利。在模擬當(dāng)中，使用GLUE命令來連接高溫焊錫層和熱擴展層。由ANASYS理論可知，這兩層會有一個公共邊界，也就是接觸面（即熱擴展層上表面和高溫焊錫層的下表面共同的區(qū)域部分），而且節(jié)點在接觸面上會對應(yīng)重合，這就會使熱擴展層的上表面溫度成為高溫焊錫層下表面熱傳導(dǎo)的一個直接的結(jié)果。所以可以選擇熱擴展層上表面加以分析，這不僅有利于高溫焊錫和熱擴展層接觸面的觀察，還有利于氣泡正下方部位的觀察，從而直接觀察到氣泡對熱傳導(dǎo)的影響。

同氣泡大小和位置相對應(yīng)，在進行加熱到15s的時候，熱擴展層上表面的溫度分布如圖4所示：

圖4 高溫焊錫下表面溫度分布圖

最高溫度區(qū)域，也就是顏色最深的區(qū)域以及氣泡正下方區(qū)域的溫度值如表2所示：

表2 熱擴展層進而焊錫層接觸面的高溫區(qū)及氣泡正下方區(qū)域溫度值

由圖4和表2可知：同無氣泡相比，當(dāng)氣泡在中間區(qū)域、氣泡比為1/49的時候，圖形上不存在明顯的差異，但在最高溫度上會有不同，氣泡會使溫度下降大概0.3K；當(dāng)氣泡比為4/49的時候，可以明顯觀察到區(qū)間內(nèi)的溫度值有所降低，至氣泡比達到9/49的時候，會出現(xiàn)兩個低于最高溫度的溫度區(qū)間，這表明氣泡對傳熱影響逐漸增強；當(dāng)氣泡在邊緣位置的時候，氣泡對傳熱的影響要高于中間區(qū)域的氣泡。

圖5 熱擴展層上節(jié)點11828和節(jié)點11835

（二）從節(jié)點溫度來觀察氣泡影響

為了有效觀察氣泡對焊錫熱傳導(dǎo)的影響，本文選擇熱擴展層上的兩個固定節(jié)點11828和11835在圖4中的6種情形下的溫度分別加以比較。其中節(jié)點11828在焊錫層和熱擴展層接觸面的靠近中間位置，而節(jié)點11835在兩層接觸面的邊緣位置，如此在圖3（b）至圖3（e）情形下，節(jié)點11828在氣泡的正下方，圖3（f）時，節(jié)點11835在氣泡的正下方。熱擴展層上的節(jié)點11828和節(jié)點11835的位置如圖5所示，同圖3當(dāng)中的6種情形相比，節(jié)點11828和11835溫度值分別如表3和表4所示：

表3 節(jié)點11828的溫度值

表4 節(jié)點11835的溫度值

由表3可知，當(dāng)氣泡在高溫焊錫的中間位置的時候，氣泡對熱傳導(dǎo)的影響會隨著氣泡體積的增大而增強，當(dāng)氣泡比例達到4/49時氣泡的影響開始發(fā)生很明顯的變化。通無氣泡的情形相比，當(dāng)氣泡比例為9/49的時候氣泡在垂直下方區(qū)間的溫度降低最高可以達到4.5K。由表3和表4可知，對比（c）和（f），對節(jié)點11835來講，氣泡在邊緣位置會比在中央位置時的溫度低大概3K，而對節(jié)點11828來講，氣泡在邊緣位置會比在中央位置時溫度高大概2K。因此，當(dāng)氣泡大小相同而所在位置不同時，氣泡在焊錫的邊緣位置會對熱傳導(dǎo)產(chǎn)生更大的影響。

五、總結(jié)

本文結(jié)果證明，焊錫中氣泡對電子元件的熱傳導(dǎo)會產(chǎn)生如下影響：電子元件的熱傳導(dǎo)能力會隨著氣泡的增大而逐漸降低。由圖4可知，當(dāng)氣泡體積比例達到4/49的時候，氣泡影響開始有明顯的變化，氣泡垂直下方部位的溫度很快下降；和無氣泡相比，當(dāng)氣泡比為9/49時，溫度降低最高可達到4.5K。當(dāng)氣泡大小不變的時候，氣泡在邊緣部位的時候同在焊錫中間位置相比，會對熱傳導(dǎo)產(chǎn)生更大的影響。

參考文獻：

[1] 宋文明.電子元件熱應(yīng)力有限元分析[D].上海交通大學(xué)，2008.

[2] 李家賢，謝豪駿.導(dǎo)熱裝置及其熱熔焊錫方法：CN，CN102039466 B[P].2012.

[3] 丘克強，周益輝.一種高效回收廢棄印刷電路板焊錫的工藝及裝置：，CN101362143 A[P].2009.

[4] 宋文明，李鴻光.焊錫中氣泡對電子元件熱傳導(dǎo)的影響[J].電子元件與材料，2007，第10期：70-73.