有限元模擬在微帶板焊接中應(yīng)用研究

張飛

【摘 要】運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件，采用真空共晶爐進(jìn)行微波盒體微帶板焊接。設(shè)計(jì)加熱工裝，通過ANSYS有限元熱模擬對(duì)焊接過程進(jìn)行熱分析，優(yōu)化焊接曲線，減少共晶爐空載調(diào)節(jié)焊接曲線次數(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜盒體微帶板低空洞率、高效率焊接。同時(shí)經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，有限元模擬輔助焊接溫度曲線設(shè)計(jì)也可運(yùn)用于其他微組裝焊接過程，提高工作效率。

【關(guān)鍵詞】微帶板；共晶爐焊接；有限元模擬

0 引言

微波印制板，業(yè)內(nèi)多稱之為微帶板，是指在0.3～40GHz頻段范圍內(nèi)使用的印制板[1]。隨著微波混合集成電路向著高性能、高可靠性、小型化及低成本方向發(fā)展，微帶板的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)微帶板的焊接工藝也提出了越來越高的要求?；迮c盒體的互聯(lián)方式主要有導(dǎo)電膠粘接和焊料片焊接技術(shù)。與導(dǎo)電膠粘接相比，焊接具有電阻率小、熱導(dǎo)率高、微波損耗小和結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于高頻和大功率微波產(chǎn)品[2-3]。因此本文開展微帶板焊接技術(shù)研究。

以前大量研究[2-4]發(fā)現(xiàn)，大面積接地基板焊接過程中，采用加熱臺(tái)、熱風(fēng)再流焊等焊接方式，存在氧化嚴(yán)重、空洞率高等諸多不良缺陷，采用真空共晶爐焊接能夠有效防止氧化，降低焊接空洞率，提高焊接質(zhì)量，滿足微組裝領(lǐng)域?qū)斩绰实妮^高要求。但是在實(shí)際焊接過程中發(fā)現(xiàn)，大部分真空共晶爐設(shè)備采用紅外燈管、石墨加熱板底部加熱方式進(jìn)行加熱，因此對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的腔體熱量難以傳遞，設(shè)置的爐溫曲線難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，需要對(duì)不同結(jié)構(gòu)腔體多次測(cè)量爐溫曲線、調(diào)節(jié)爐溫曲線，最終確定實(shí)際焊接曲線。一方面，工作效率大大降低，同時(shí)多次加熱，冷熱循環(huán)，對(duì)結(jié)構(gòu)件也造成一定的損壞，如變形翹曲等。因此，本研究擬采用導(dǎo)熱工裝，提高共晶爐加熱效率，同時(shí)利用有限元模擬手段，減少爐溫曲線測(cè)量次數(shù)，提高真空共晶爐焊接工作效率。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本單位微組裝盒體采用的材料大都為鋁合金，且模塊表面大部分進(jìn)行鍍金處理。由此本實(shí)驗(yàn)選用6063鋁合金作為載體材料，載體表面鍍金，如下圖1所示。印制板材料選擇使用最多的Rogers 5880基板，同時(shí)根據(jù)本單位的使用要求基板表面進(jìn)行鍍金處理。在實(shí)際工作中，焊料的選用非常關(guān)鍵。除了要考慮焊接面（基板背面及外殼表面）金屬化層的材料種類及厚度、焊后電氣機(jī)械性能、器件及基板的熱承受能力等因素外，還要綜合考慮微組裝模塊的組裝次序，根據(jù)不同工序安排合適的焊接溫度梯度，進(jìn)而選用不同的焊料。本實(shí)驗(yàn)從應(yīng)用研究角度出發(fā)，選用不同的焊料對(duì)研究方法并無影響，因此僅選用Sn3.5Ag焊料片作為焊接材料。

同時(shí)，本實(shí)驗(yàn)選用中電科2所生產(chǎn)的GJL-2023型真空共晶爐進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)。

1.2 焊接前預(yù)處理

實(shí)驗(yàn)前需要根據(jù)微帶板形狀尺寸對(duì)焊料片進(jìn)行裁切，加工得到合適大小的焊料片。本實(shí)驗(yàn)使用激光加工手段，依照之前微帶板焊接經(jīng)驗(yàn)，按微帶板尺寸的85%加工裁切焊料片，這樣既不會(huì)造成焊料過多熔化后溢出，也不會(huì)因?yàn)楹噶线^少而造成大面積空洞。

1.3 導(dǎo)熱工裝加工

常見的金屬材料中，Cu具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)（377W/m·℃），常用作導(dǎo)熱、散熱材料，因此本實(shí)驗(yàn)選用純銅作為導(dǎo)熱工裝材料，根據(jù)盒體形狀，加工導(dǎo)熱工裝。

1.4 清洗

利用超聲波清洗機(jī)對(duì)微帶板、盒體及導(dǎo)熱工裝進(jìn)行清洗，去除表面污物。

1.5 Ansys有限元模擬

有限元模擬的基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為有限個(gè)以一定方式互連在一起的單元組合體，從而將幾何形狀復(fù)雜的物體離散為多個(gè)簡(jiǎn)單單元的求解域，從而使一個(gè)連續(xù)的無限自由度問題變成離散的有限自由度問題。隨著單元數(shù)目的增加，單元尺寸的縮小，解的近似程度將不斷改進(jìn)。如果單元滿足收斂條件，近似解最后將收斂于精確解。

有限元分析軟件ANSYS是集結(jié)構(gòu)、流體、電磁場(chǎng)、熱場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。ANSYS熱分析基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元法計(jì)算物體內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)的溫度，并導(dǎo)出其他熱物理參數(shù)。運(yùn)用ANSYS 軟件可進(jìn)行熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射、相變、熱應(yīng)力及接觸熱阻等問題的分析求解。

圖2為盒體ANSYS模型圖，如圖所示，盒體由四個(gè)支柱支撐，在盒體內(nèi)部底面上對(duì)微帶板進(jìn)行焊接。因此無導(dǎo)熱工裝條件下，底面石墨加熱板熱量難以傳遞到焊接部位，導(dǎo)致焊接時(shí)間過長(zhǎng)，溫度過高，難以控制，失敗率較高，同時(shí)效率較低。

圖3為加裝簡(jiǎn)易導(dǎo)熱工裝后模型圖。如圖3所示，通過導(dǎo)熱工裝，建立熱量傳遞通道，加快熱量傳遞，從而降低焊接時(shí)間和共晶爐加熱溫度，提高工作效率。

圖4為工裝及盒體網(wǎng)絡(luò)劃分結(jié)果。整個(gè)模型選用三維實(shí)體熱單元Thermal Solid 90節(jié)點(diǎn)單元。設(shè)置材料屬性后，對(duì)該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。值得注意的是，在網(wǎng)格劃分之前需將各個(gè)體單元進(jìn)行布爾運(yùn)算合并，這樣在施加載荷過程中，模型中各個(gè)不同部分的熱及能量才可以進(jìn)行傳遞。

模型劃分完畢后，對(duì)模型加載邊界條件和載荷條件。設(shè)置初始溫度25℃，設(shè)置溫度曲線函數(shù)，對(duì)模塊底部加熱。內(nèi)部各材料之間通過熱傳導(dǎo)進(jìn)行傳熱，服從傅里葉傳熱定律；模型外部通過對(duì)流進(jìn)行散熱，服從牛頓冷卻定律。求解后對(duì)結(jié)果進(jìn)行后處理，分析盒體內(nèi)部底面溫度變化，優(yōu)化溫度曲線，如圖5所示，由于焊接過程冷卻部分由共晶爐充氮?dú)鈴?qiáng)制冷卻，因此本曲線只涉及焊接過程升溫及保溫過程。優(yōu)化后模擬結(jié)果如圖6所示，考慮到使用真空共晶爐焊接時(shí)存在熱量傳遞損耗及工裝接觸面無法保證完全緊密貼合，模擬結(jié)果溫度應(yīng)略高于實(shí)際焊接需要溫度，因此在此溫度曲線基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1.6 焊接實(shí)驗(yàn)

根據(jù)ANSYS模擬優(yōu)化結(jié)果，設(shè)定焊接溫度曲線，將模塊及加熱工裝放入共晶爐中，運(yùn)行溫度曲線，用熱電偶測(cè)量盒體內(nèi)部底面焊接過程中溫度變化。經(jīng)過一次微調(diào)溫度曲線，進(jìn)行試驗(yàn)件焊接。焊接結(jié)果如下圖7所示，其中圓孔為后續(xù)焊接絕緣子部位，方槽為后續(xù)裝配器件芯片部位，不進(jìn)行焊接。從圖中可以看出，微帶板焊接空洞率小于10%，滿足使用要求。

2 結(jié)論

采用有限元分析軟件，以微波盒體微帶板焊接為例，設(shè)計(jì)加熱工裝，對(duì)真空共晶爐焊接過程進(jìn)行熱分析模擬，優(yōu)化焊接曲線，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜盒體微帶板低空洞率、高效率焊接，從而在不影響焊接質(zhì)量條件下，大大提高工作效率，同時(shí)經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，有限元模擬輔助焊接溫度曲線設(shè)計(jì)也可運(yùn)用于其他微組裝焊接過程，提高工作效率。

【參考文獻(xiàn)】

[1]鄒嘉佳，趙丹，范曉春，管美章.一種新型PTFE覆銅板的等離子處理工藝及其優(yōu)化.電子工藝技術(shù)，38（1）2017：17-20.

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]