QFP元件引腳釬焊溫度場的瞬態(tài)數(shù)值模擬

焦萬才，杜 銀

（1.沈陽大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110044；2.沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧 沈陽 110168）

QFP元件引腳釬焊溫度場的瞬態(tài)數(shù)值模擬

焦萬才1，杜 銀2

（1.沈陽大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110044；2.沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧 沈陽 110168）

隨著電子元件之間集成度的提高，元件之間距離的減小，各個引腳之間間隙的減小，大大提高了封裝的難度，因為電子元件的封裝不僅要保證良好的電器性能還要滿足基本的連接功能。微電子元件軟釬焊成為決定產品性能的關鍵因素之一。采用數(shù)值模擬分析方法詳細描述軟釬焊時的電子元件引腳周圍的溫度場分布。通過使用COMSOL軟件完成對模型的構建以及材料的加載，并且根據(jù)實際的情況分析定義邊界條件，然后利用軟件計算出溫度分布并且模擬釬料的相變過程。

電子元件；軟釬焊；溫度場分布；模擬；COMSOL

0 前言

在現(xiàn)代社會中，電子產品越來越多，并且不斷地向小、薄、輕、多功能、高性能、智能等方面發(fā)展[1]。這都取決于微電子技術的發(fā)展，它是現(xiàn)代世界技術的重要組成部分。

微電子技術包括微電子元件和微電子組裝技術。電子元件由傳統(tǒng)的通孔安裝（DIP）向表面貼裝發(fā)展（SMD），如四方扁平封裝（QFP）以及小外形封裝（SOP）。與DIP相比，SMD具有體積小、高頻特性提高、耐震動、安裝緊湊等優(yōu)點，極大地促進了電子產品向多功能、高性能、微型化、低成本方面發(fā)展。目前電子封裝市場占據(jù)主導地位的是SOP、QFP等。實際上QFP的使用更加普遍，因為QFP的引線的間距更小[2]。

隨著技術的發(fā)展，制約電子產品性能的不再是電子元件本身，而是電子元件的封裝技術。隨著電子元件之間的集成度的提高，元件之間距離減小，各個引腳之間間隙減小，大大提高了封裝難度，因為電子元件的封裝不僅要保證良好的電器性能還要滿足基本的連接功能。即使一個引腳處的焊點沒有得到良好的保證，也會影響整個產品的性能。微電子元件連接技術已經(jīng)成為決定產品性能的關鍵因素之一。

本研究采用數(shù)值模擬分析方法詳細分析軟釬焊時的電子元件引腳周圍的溫度場分布。模擬釬焊小尺寸外引腳電子元件時的溫度分布狀況，并且利用軟件繪制出溫度分布表面圖、溫度分布等溫線圖。分析釬料相變過程，繪制出相變過程的變化圖。

1 計算模型

1.1 物理模型的建立

本研究主要考慮軟釬焊過程中引腳處的溫度分布，為了減少計算量，對模型進行簡化，主要分析引腳、銅墊盤、釬料三者的溫度場分布情況。這樣不僅能夠突出研究目標，而且節(jié)省計算量，減少了電腦負擔，能夠對多個物理場進行耦合計算。模型如圖1所示。

圖1 引腳模型

1.2 材料加載

焊接過程中，溫度的變化會導致材料的各種物性參數(shù)發(fā)生變化。本研究不考慮焊接溫度引起的材料物性參數(shù)的變化，只分析形成焊點后的情況[3]。為了減小仿真難度，仿真過程中假設材料的物性參數(shù)不隨溫度改變。結合圖1中的幾何模型給出材料的物性參數(shù)，如表1所示[4]。

表1 模型中相關材料的物理參數(shù)

材料的加載除了從軟件自帶的材料庫中直接添加外，其余的均通過添加空材料的方式，直接填寫軟件模擬過程中所需要的材料的物性參數(shù)，通過上述兩種方式完成對材料的定義。

對釬料進行相變分析和流場流動分析還需要一些其他參數(shù)：釬料的比熱率為1.4；動力粘度系數(shù)8×10-7，單位m2/s，動力粘度為動力粘度系數(shù)和密度的乘積；熱膨脹系數(shù)為2.67×10-4，單位為1/K，它是一個與溫度有關的物理量。釬料的相變溫度505 K，釋放的潛熱為60 kJ/kg，相變間隔2 K。

1.3 邊界條件

首先需要考慮各個組件熱量的交換與傳遞。根據(jù)釬焊特點引腳和墊盤不熔化，熱量在傳遞過程中一直屬于固體傳熱，而釬料則存在著相變過程，所以這部分的熱量傳遞屬于相變傳熱。另外，還要考慮元件在激光軟釬焊過程中存在著與外部空氣之間的換熱，如表2所示。

表2 模型的邊界條件

1.4 熱源模型的建立

對于激光焊接溫度場的數(shù)值計算，一般采用與電弧焊類似的處理方式，將熱源看成面熱源或者點熱源，面熱源的能量密度分布主要為高斯熱源分布或圓形光斑內的均勻分布[5]。在進行激光焊接仿真時，采用高斯熱源模型，熱源方程為[6]

式中 q（r）為距離熱源中心r處的熱流密度；Q為激光焊接時的有效功率；rH為加熱斑點的半徑。本研究中設置為引腳表面接受激光照射，所以光斑點的直徑設置為引腳表面的長方形的對角線長度，這樣能夠保證引腳表面都接收到激光熱源傳遞的熱量。其中激光熱源的有效功率設置為5 W，這是經(jīng)過模擬后得到的合適的焊接功率。

2 結果計算和分析

2.1 網(wǎng)格劃分

首先對引腳和釬料的表面進行自由三角形網(wǎng)格剖分，選擇尺寸為極端細化，這樣能夠得到更精確的模擬結果。然后通過掃略命令對釬料和引腳進行網(wǎng)格構建，掃略分層定為8層，進一步細化網(wǎng)格。隨后對釬料和墊盤的接觸面進行網(wǎng)格轉換，把底面的四邊形網(wǎng)格轉換為三角形網(wǎng)格，這是因為同一面如果網(wǎng)格不一致會造成計算問題，模型的收斂性也會下降。最后對墊盤表面進行自由三角形網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格尺寸選為特別細化，然后掃略，掃略分層為2層。采用這種方式能夠對主要研究的區(qū)域進行網(wǎng)格細化，使結果更加準確。還能夠對其他不重要區(qū)域的網(wǎng)格進行粗化，以減少計算量，加快計算效率。網(wǎng)格剖分模型如圖2所示。

圖2 引腳的網(wǎng)格剖分模型

2.2 無流場釬料相變過程研究

求解器設置為瞬態(tài)求解器，考慮各個物理量和時間的關系，可得到一個瞬時的溫度變化。步長設置為0.1 s，計算3 s，這樣得到的結果更為詳細。結果經(jīng)過處理后，得到多種溫度分布圖。釬料溫度的等溫線分布如圖3所示。因為主要研究的是釬料的溫度情況，所以在后處理中新增一個解，在解的選擇當中將釬料單獨選取出來進行分析。通過這個設置得到釬料的表面等值面分布如圖4所示。圖3和圖4都是在時間為0.5 s，即焊接熱源剛結束作用時的溫度分布情況。

圖3 0.5 s時引腳等溫線分布情況

圖4 0.5 s時釬料等值面分布情況

因為增加了相變過程，所以還有一個相變分布情況圖，這是一個動態(tài)圖，能夠顯示相變的整體變化情況。由于文檔無法顯示動態(tài)圖，所以截取某個時間點的相的分布情況，0.46 s、0.48 s、0.5 s、0.54 s時的相分布情況如圖5所示。

由圖3可知，軟釬焊時溫度的最大值產生在引腳的邊緣和空氣相接處。一方面是因為在此處與空氣換熱，換熱系數(shù)較低，其余的是通過銅傳熱，傳熱快；另一方面是結構不對稱，引腳伸出的部分短，所以熱量高于引腳長的地方。由圖4可知，釬料的溫度分布也與熱源在引腳上的溫度情況分布相差不大，這是因為溫度是通過引腳傳遞的。

結合相變圖可知，相變最先發(fā)生在溫度最大區(qū)域，然后逐漸向溫度較低處轉變。這個過程和溫度分布的情況相符合，證明上述建模和設計是正確的。但是上述過程中未考慮釬料熔化后流動對溫度分布的影響，所以為了精確模擬現(xiàn)實情況，還需要增加流場來進一步分析軟釬焊的溫度分布。

2.3 有流場釬料相變過程研究

求解器與無流場時設置相同，計算后分別通過后處理得到與2.2節(jié)中相同的圖像，并對比分析流場有無對溫度分布的影響以及研究增加流場后的相變過程。引腳的等溫線分布情況如圖6所示。釬料的等值面分布情況如圖7所示。

對比發(fā)現(xiàn)，加入流場后能夠促進傳熱效果，由釬料溫度0.5s時的分布可以看出，有流場的最小值高于無流場的最小值。其他區(qū)域的溫度則無明顯變化。

增加流場后，相變過程中 0.46 s、0.48 s、0.52 s、0.54 s的相的分布情況如圖8所示。

對比上述相變可以發(fā)現(xiàn)，有流場時，液態(tài)釬料流動促進溫度的傳遞，促使相變時間提前。

圖5 釬料相變過程中相在某時刻下分布情況

圖6 0.5 s時引腳溫度等值線分布

圖7 0.5 s時釬料的等值面分布

圖8 釬料相變過程中相在某時刻下分布情況

3 結論

（1）研究從兩方面分析溫度分布情況，一是液態(tài)釬料無流動的狀態(tài)，二是液態(tài)釬料有流動的狀態(tài)。繪制表面溫度分布、等值線分布以及釬料的表面溫度分布、等值線溫度圖，然后選取相變過程中的4個時間點，繪制相的分布圖。

（2）在液態(tài)釬料無流場的情況下，相變最先發(fā)生在溫度最大的區(qū)域，然后逐漸向溫度較低區(qū)域轉變。該過程和溫度分布情況相符合。

（3）比較液態(tài)釬料在有無流場情況下可以發(fā)現(xiàn)，有流場時，液態(tài)釬料流動促進溫度的傳遞，促使相變時間提前。

[1]楊巧蓉.科技價值與人的全面發(fā)展[J].山東社會科學，2006（12）：10-14.

[2]袁建文.QFP與SOP封裝器件的激光釬焊技術研究[D].北京：北京工業(yè)大學，2013.

[3]余淑榮，熊進輝，樊丁，等.ANSYS在激光焊接溫度場數(shù)值模擬中的應用[J].焊接技術，2006（05）：6-9.

[4]黃丙元.SMT再流焊溫度場的建模與仿真[D].天津：天津大學，2005.

[5]劉煒，周德儉.QFP器件激光軟釬焊溫度場的建模與仿真[J].桂林電子科技大學學報，2014（01）：21-24.

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Transient numerical simulation of temperature field in laser soldering of QFP element

JIAO Wancai1，DU Yin2
（1.School of Mechanical Engineering，Shenyang University，Shenyang 110044，China；2.Shenyang SIASUN Robot Automation Co.，Ltd.，Shenyang 110168，China）

As the integrated electronic components density is getting higher，the distance among electronic component is shortened and the gap of pins is shortened，which has increased the difficulty of encapsulation techniques.Good encapsulation techniques not only can guarantee nice capability of electronics，but also should guarantee connect function.If the solder joints of pin have some problems，all the capability of electronics will be affected.The encapsulation technique of microelectronic element becomes one of the key determinants of product capability，so the study about it is very important.This article uses the numerical simulation analysis to describe the temperature field distribution of electronic element pins during welding.We can build the model and load the date by using COMSOL，then analyze the boundary conditions，at least calculate the temperature field distribution and simulate the changing process of solder.

electronic components；soldering；temperature field distribution；simulation；COMSOL

TG454

A

1001-2303（2017）09-0057-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.09.12

本文參考文獻引用格式：焦萬才，杜銀.QFP元件引腳釬焊溫度場的瞬態(tài)數(shù)值模擬[J].電焊機，2017，47（09）：57-61.

2017-03-05

焦萬才（1969—），男，副教授，本科，主要從事焊接工藝及設備的研發(fā)工作。E-mail：yongganll@163.com。