PCB板激光直接成形溫度場(chǎng)計(jì)算機(jī)軟件模擬研究

◎姜穎

PCB板激光直接成形溫度場(chǎng)計(jì)算機(jī)軟件模擬研究

◎姜穎

激光加工是激光系統(tǒng)最常用的應(yīng)用。根據(jù)激光束與材料相互作用的機(jī)理，可將激光加工分為激光熱加工和光化學(xué)反應(yīng)加工兩類。PCB中文名稱為印制電路板，又稱印刷電路板、印刷線路板，是重要的電子部件、電子元器件的支撐體、電子元器件電氣連接的載體。激光加工PCB板時(shí)，激光照射材料表面，材料吸收熱量至發(fā)生強(qiáng)烈的相變，由固態(tài)—液態(tài)—?dú)鈶B(tài)，熱能增加，使金屬蒸汽以較高的壓力從液相的底部猛烈噴出，并攜帶著液相材料一起噴，形成火花濺射。加熱停止，液態(tài)金屬重新凝固，在材料表面形成再熔層，并利用ANSYS軟件實(shí)現(xiàn)激光熱源的模擬移動(dòng)加載。最后通過(guò)后處理，給出了激光溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化圖。

PCB簡(jiǎn)介

印刷電路板經(jīng)常被使用英語(yǔ)簡(jiǎn)稱PCB，它以絕緣板為基材，至少有一個(gè)導(dǎo)電圖案和分布在上面的孔（如元件孔，孔金屬化等），用來(lái)取代以前裝置的電子元器件的底盤，并實(shí)現(xiàn)電子元件之間的相互聯(lián)系。因?yàn)檫@個(gè)板是通過(guò)在覆銅板上用底片照相的方法印刷防腐蝕膜層，然后再腐蝕成形得到需要的電路，它被稱為印刷電路板。根據(jù)電路板層數(shù)可分為單面板，雙面板，四層，六層及多層電路板。常說(shuō)的印刷電路板或PCB板是沒(méi)有安裝任何元器件的裸板。

問(wèn)題提出及解決方法

激光可以用來(lái)去除材料，但是用來(lái)去除印刷電路板板上的銅箔卻困難。印刷電路板的基材是玻璃纖維板，很容易在高溫下氧化變色，影響后續(xù)工藝。要求激光的能量控制的剛好，既能把需要?jiǎng)冸x的銅箔去除干凈，還要保證盡量少的傷害到基材。

激光直接成形技術(shù)就是不采用制作底片—>貼覆蓋膜—>照相曝光—>顯影—>蝕刻—>去膜的傳統(tǒng)化學(xué)工藝，直接在覆銅板上形成線路，直接用激光去除銅箔易燒焦基材，所以有了新的加工方法。用激光燒蝕出輪廓，對(duì)需要去除銅箔的地方進(jìn)行分區(qū)，把大的面積分成一個(gè)個(gè)很細(xì)的方塊或細(xì)長(zhǎng)的三角形，這就要求調(diào)整好激光參數(shù)，盡量減少對(duì)未加工區(qū)域的熱影響，能量調(diào)到剛剛能切穿銅箔，而不損及基材，這個(gè)過(guò)程一般稱為Hatch（填充）。Hatch后的圖形如圖2-1所示，Heat后的圖形如圖2-2所示。

ANSYS熱分析主要用于計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)或部件的溫度分布及其他熱物理參數(shù)，如熱梯度、熱流密度等。ANSYS熱分析包括熱傳導(dǎo)、輻射及對(duì)流等多種熱傳遞方式。激光加工過(guò)程雖然復(fù)雜，偶然因素多，但也遵循基本科學(xué)理論，如流體力學(xué)、傳熱學(xué)、固體力學(xué)等。這樣可以把激光加工過(guò)程簡(jiǎn)化成求解液態(tài)金屬流動(dòng)、凝固及溫度變化的問(wèn)題，在一定初始條件和邊界條件下，求解傅里葉熱傳導(dǎo)方程或彈塑性方程。

PCB板激光直接成形過(guò)程數(shù)值模擬

建立PCB板的三維幾何模型及劃分網(wǎng)格。計(jì)算中工件尺寸為50mm×40mm×0.5mm，材料為紫銅，激光束在KI線上沿X軸移動(dòng)。實(shí)際模型簡(jiǎn)圖如圖3-1所示。在ANSYS中劃分網(wǎng)格的方式有兩種，分別為自由網(wǎng)格劃分和映射網(wǎng)格劃分。激光掃描過(guò)程是一個(gè)加熱不均勻的過(guò)程，在焊縫處溫度梯度變化很大，劃分網(wǎng)格時(shí)一般不采取均勻的網(wǎng)格，而是在光斑及其附近的部分用加密網(wǎng)格，在遠(yuǎn)離光斑的區(qū)域，能量傳遞緩慢，溫度分布梯度變化相對(duì)較小，可以采用相對(duì)稀疏的單元網(wǎng)格，如圖3-2所示。

激光直接成形工藝參數(shù)。主要包括：掃描速度、激光功率和激光頻率。選用的激光熱源是呈高斯分布的移動(dòng)熱源，除了這些參數(shù)外，還有光斑直徑、有效加熱面積。選擇高斯移動(dòng)熱源的參數(shù)如下：

激光功率：Qmax=20W;激光頻率：f=30Hz；掃描速度：V=3m/min；光斑直徑：Lsize=0.1mm；

加載完成后就是求解過(guò)程，點(diǎn)擊求解后計(jì)算機(jī)就開(kāi)始自動(dòng)運(yùn)行，求解完畢就得到數(shù)據(jù)文件。提取數(shù)據(jù)時(shí)需要用到ANSYS的通用后處理器(POST1)和時(shí)間歷程相應(yīng)后處理器(POST26)兩個(gè)后處理模塊，從POST1中可提取諸如溫度、應(yīng)力分布云圖，還可以提取出某時(shí)刻在焊件某個(gè)方向上的應(yīng)力變化曲線；從POST26中可以提取出某點(diǎn)的某個(gè)值隨時(shí)間的變化曲線。

從圖中標(biāo)尺中顯示出各個(gè)區(qū)域的溫度，也可提取出工件任意一點(diǎn)的溫度值大小，及它的溫度循環(huán)曲線，預(yù)測(cè)加工區(qū)和加工熱影響區(qū)的組織形態(tài)及晶粒大小，對(duì)規(guī)劃復(fù)雜路徑，減少熱影響區(qū)，有非常實(shí)際的意義。

對(duì)激光直接成形過(guò)程的結(jié)果分析。材料剛開(kāi)始被加熱時(shí)激光直接成形區(qū)的溫度開(kāi)始上升，并且傳導(dǎo)到周圍，由于激光的運(yùn)動(dòng)速度很快，在很短的時(shí)間內(nèi)就達(dá)到了最高點(diǎn)，這從各參考點(diǎn)的溫度曲線圖上可以明顯看到，在激光路徑上的點(diǎn)都有一個(gè)很尖的最高值，而熱影響區(qū)的考察點(diǎn)的溫度曲線就相對(duì)平滑很多。與路徑上的點(diǎn)比差別很大。

通過(guò)不同光斑的比較，發(fā)現(xiàn)光斑越大，照射區(qū)也增大，在功率一定的情況下光斑越大，能量密度越小，溫度影響區(qū)大。在激光直接成形的過(guò)程中最高溫度隨激光光束不斷移動(dòng)，且和激光光束的速度有一定的關(guān)系。得出各種激光參數(shù)對(duì)激光照射區(qū)及熱影響區(qū)的影響，為激光加工PCB板工藝改進(jìn)提供了重要的依據(jù)。建立了可行的激光PCB板直接成形過(guò)程二維溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)模擬分析方法，為優(yōu)化激光加工工藝和激光參數(shù)，提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)。

激光直接形成溫度場(chǎng)數(shù)值模擬是相當(dāng)復(fù)雜的，熱物理性質(zhì)的非線性、銅箔與基材之間的接觸影響等等。對(duì)于這樣的系統(tǒng)，分析其數(shù)字仿真軟件和它的實(shí)現(xiàn)也比較復(fù)雜，調(diào)查結(jié)果的分析是很難做出直觀的正確判斷，因此有必要對(duì)軟件系統(tǒng)軟件的正確性和精度進(jìn)行驗(yàn)證，

本文根據(jù)有限元分析軟件ANSYS,根據(jù)有限元原理對(duì)瞬態(tài)溫度場(chǎng)的分析，給出了各種激光的熱源數(shù)學(xué)模型、高速移動(dòng)熱源的解析解、激光熱傳導(dǎo)的解析方法。本文考慮了材料的熱物理性能和力學(xué)性能隨溫度的變化，選取適當(dāng)?shù)挠?jì)算時(shí)間，選取高斯函數(shù)分布的熱源模型，并利用ANSYS軟件實(shí)現(xiàn)激光熱源的模擬移動(dòng)加載。最后通過(guò)后處理，給出了激光溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化圖。

(作者單位：天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院)