電子封裝模具加熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)

牛德奎，周燕飛，羅福源

(南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

電子封裝所用的外殼通常是使用塑料通過高溫模具熱壓成型。熱壓壓力、熱壓溫度和熱壓時間是熱壓工藝的三要素。由于受到環(huán)境和模具結(jié)構(gòu)等因素的影響，電子封裝模具的表面存在溫差，這對封裝外殼熱壓成型的工藝性能有顯著影響，因此模具表面的溫差需要被控制在一定范圍內(nèi)。

1 模具加熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

模具在進行加熱時受到許多因素的影響，其中需要研究的關(guān)鍵問題是加熱溫度、加熱方式、加熱裝置的結(jié)構(gòu)及功率等。電子封裝設(shè)備的模具加熱溫度為100℃～400℃。模具的加熱方式通常有熱油加熱和電阻加熱兩種。電阻加熱比熱油加熱速度快、使用裝置體積小、投資小，所以本文使用電阻加熱方試對模具進行加熱。

陶瓷加熱片本質(zhì)上是由氧化鋁坯體和它上面的印刷電阻經(jīng)過高溫共燒而形成的一種新型電加熱元件。它通電后由其板面發(fā)熱，外形呈圓形或方形，性能安全可靠。由于陶瓷加熱片加熱主要靠熱傳導(dǎo)，熱效率高，所以在設(shè)計模具加熱結(jié)構(gòu)時選用陶瓷加熱片。

模具材料牌號為316L，模具的結(jié)構(gòu)如圖1所示。模具加熱后其表面的中心和邊緣存在一定的溫差，這是因為模具邊緣和空氣接觸產(chǎn)生自然對流傳熱造成熱量損失，而且陶瓷加熱片只通過模具下表面?zhèn)鬟f熱量，造成模具上下表面受熱不均勻。為了減小模具表面的溫差，分6個區(qū)域?qū)δ＞哌M行加熱，對每一區(qū)域的溫度進行單獨控制，分區(qū)如圖2所示。

圖1 模具的結(jié)構(gòu)

圖2 分區(qū)加熱示意圖

此模具結(jié)構(gòu)簡單，所以設(shè)計加熱方式為：在模具下面粘貼陶瓷加熱片，然后使用沉孔的螺釘、螺母支撐起模具，為陶瓷加熱片留出空間，設(shè)計后的加熱結(jié)構(gòu)如圖3所示。基于封裝模具的加熱溫度、加熱時間和加熱過程中的熱量損失等因素，對模具的熱場進行傳熱計算，確定陶瓷加熱片的功率為108W。

1—模具；2—陶瓷加熱片；3—Pt100溫度傳感器；4—高聚熱能酰胺脂隔熱板

2 模具的有限元熱場分析

為進一步驗證所設(shè)計的電子封裝模具加熱裝置的合理性和適用性，通過有限元法對封裝模具進行熱場分析。對模具傳熱的過程做出假定：

1)模具四邊氣流的溫度不變。

2)陶瓷加熱板的熱量都傳送到了模具。

3)模具表面和四邊氣流以熱對流的方式交換熱量。

4)忽略輻射傳熱因素的影響。

5)在向模具傳熱的過程中，物性參數(shù)隨溫度的變化很小，可以忽略，按照常物性處理。

根據(jù)物體的傳熱情況，在模具加熱時模具邊界上的熱流密度保持恒定，判斷此類邊界條件為第二類邊界條件[1]，給出以下公式：

(1)

運用UG軟件建立模具的三維實體模型，然后利用有限元分析軟件ANSYS進行瞬態(tài)熱場分析。在ANSYS中，首先使用十節(jié)點四面體單元劃分網(wǎng)格模型，共有164 738個單元，287 689個節(jié)點，如圖4所示，中間放大部分如圖5所示；其次查閱文獻(xiàn)[2]，設(shè)置材料在目標(biāo)溫度范圍內(nèi)的熱傳導(dǎo)特性，模具的熱導(dǎo)率λ=18.1W/(m·K)，比熱容c=502J/(kg·K)，密度ρ=8.03×103kg/m3。設(shè)置邊界條件模具初始溫度為25℃，查閱文獻(xiàn)[3]，取空氣自然對流換熱系數(shù)h=8.45W/(m2·K)，環(huán)境溫度t=25℃，陶瓷加熱片熱流密度q=1.543×105W/m2。

圖4 模具的網(wǎng)格模型

圖5 模具中心網(wǎng)格模型放大圖

分析顯示加熱至49.5s后，模具的溫度達(dá)到240℃。此時模具表面的溫度場如圖6所示。模具的凹槽部分為熱壓的工作區(qū)域，此時工作區(qū)域的溫差為±4℃。

圖6 模具表面溫度場計算結(jié)果

3 實驗驗證

在電子封裝設(shè)備上，使用恒溫控制系統(tǒng)對模具進行加熱，安裝上加熱系統(tǒng)的設(shè)備如圖7所示。采用K型熱電偶測量模具表面不同點在預(yù)熱時的溫度變化。用有限元法計算后可知，加熱至49.5s時模具表面的溫度可達(dá)240℃，而由實測結(jié)果可知模具表面溫度在100.0s時才能達(dá)到240℃，此時模具表面的實驗測試值如圖8所示。由圖可知，模具表面的溫差為±3℃。

仿真分析中模具的升溫趨勢快于實測的升溫趨勢，這是由于在有限元分析時沒有考慮熱輻射產(chǎn)生的熱損失，以及在實驗中為了控制溫度，并不是連續(xù)加熱，而是采用模擬PWM(脈沖寬度調(diào)制)的方法進行加熱。

圖7 電子封裝設(shè)備

圖8 模具表面實驗測試值

實驗結(jié)果與仿真分析結(jié)果稍微有些差別，原因是：隨著長時間加熱，模具中心并沒有累積起如仿真分析中那么多的熱量，而是隨著熱傳導(dǎo)散掉了，為了簡化計算，仿真分析中沒有考慮這些因素，但這不影響運用有限元分析結(jié)果來驗證模具加熱設(shè)計方案。

由加熱得到的模具表面溫差是一個重要技術(shù)指標(biāo)，化工行業(yè)國家標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定[4]：表面溫度場的均勻性對優(yōu)等品熱板≤2℃，合格品熱板≤5℃。因此經(jīng)過有限元熱場分析及實驗結(jié)果可知，采用分區(qū)加熱能使模具受熱均勻，且滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。由此確認(rèn)所設(shè)計的加熱裝置及加熱方式都是合理可行的，此結(jié)構(gòu)能有效減小模具表面的溫差。

4 結(jié)束語

本文針對模具加熱系統(tǒng)設(shè)計的模具表面溫度均勻性的要求，采用分區(qū)加熱的結(jié)構(gòu)有效減小了溫差。通過有限元法進行瞬態(tài)熱場分析，在理論上驗證了設(shè)計效果。最終，通過實驗驗證了設(shè)計結(jié)構(gòu)的合理性。該設(shè)計方法不僅有效減小了溫差，改善了加熱工藝，而且易于實現(xiàn)。

[1] 李友榮. 高等傳熱學(xué)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2013.

[2] 宋小龍，安繼儒. 新編中外金屬材料手冊[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[3] 孔祥謙. 有限元法在傳熱學(xué)中的應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，1986.

[4] 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會. HG/T2398-1992平板硫化機產(chǎn)品質(zhì)量分等及檢查細(xì)則[S]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1992.