基于有限元的一種熱壓頭結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

朱紅光

（中船重工第七二二研究所，湖北 武漢430079）

1 概述

RFID（Radio Frequency Identification）俗稱電子標簽，是一種非接觸式的自動識別技術(shù)。電子標簽應(yīng)用規(guī)模及市場利益前景是所有信息技術(shù)大國所關(guān)注的，許多國家都將其作為重要的產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略和國家戰(zhàn)略來發(fā)展。

在RFID 應(yīng)用中標簽的封裝是其中難度最大的一部分，目前RFID 封裝設(shè)備的供應(yīng)商都為國外供應(yīng)商，如Neubaur、Datacom。國內(nèi)目前還沒有成熟的產(chǎn)品供應(yīng), 而擁有自我知識產(chǎn)權(quán)的RFID 封裝設(shè)備對RFID 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展意義重大，RFID 封裝設(shè)備包括送料、點膠、貼裝、熱壓、收料等多個模塊。

RFID 封裝中的固化過程是一個復(fù)雜的多物理場耦合過程。固化部分由熱壓模塊（如圖1 所示）實現(xiàn)。熱壓固化時，上熱壓頭上升，下熱壓頭下降，施加的壓力使金屬粒子維持一定的變形，同時膠在熱壓頭的熱量作用下，溫度很快上升到固化溫度并開始固化過程。設(shè)備用上、下位機的方式實現(xiàn)。時間通過上位機根據(jù)定時器發(fā)送指令的方法實現(xiàn)，壓力通過伺服電機的精確的位置控制來嚴格控制高精度彈簧的壓縮量的方式來保證，對溫度的要求，則相對較多。從圖上可看出，在熱壓頭的上方是溫控電路板，如果模塊內(nèi)部溫度較高，影響設(shè)備的使用壽命，同時影響運動部件的運動精度。另外，熱壓頭要保證加工時恒定的熱壓溫度，即在ACA 固化階段，參提供滿足要求的固化溫度，而且為了保證固化質(zhì)量（主要是固化程度），充足的固化時間是必要的。為了滿足生產(chǎn)率的要求，需要使待固化的膠盡快升溫到固化溫度。

圖1 封裝中的熱壓模塊

ACA 固化時，熱量從上加熱頭經(jīng)芯片（die）、導(dǎo)電膠(ACA)、再到基板，同時下加熱頭也有一個較低溫度的預(yù)熱作用。在維持一定的熱壓時間后完成膠的固化，其中，溫度場是不均勻的，多種傳熱方式并存，占主導(dǎo)的傳熱方式是熱傳導(dǎo)，同時各部件外表面與周圍環(huán)境，即大氣的對流換熱也應(yīng)有所考慮。在整個加工過程中，溫度場是一個隨時間、空間的不同而變化的物理場。固化過程是一個發(fā)熱過程，涉及到熱場與化學(xué)場的耦合作用，該過程是一種雙向作用的強耦合過程，下面對熱壓頭的設(shè)計進行分析。

2 熱壓頭固化功能分析檢驗計算

2.1 主控方程

固化過程中，傳熱反應(yīng)與固化反應(yīng)相互耦合，兩種現(xiàn)象同時存在。對于傳熱過程，其主控方程為：

對于當前的ACP 還沒有實驗參數(shù)，采用ACF 的參數(shù)，如表1所示。材料的物性參數(shù)如表2 所示。

表1 ACF 的固化動力學(xué)參數(shù)

表2 材料的物性參數(shù)

2.2 熱壓固化過程中傳熱時模型的建立與分析

模型的簡化：在該系統(tǒng)中，根據(jù)加熱頭的實際尺寸及其功能，可將其尺寸簡化為1.5mm 邊長，厚為2mm 的方塊。所用芯片為0.764mmx0.764mm，厚度為0.35mm?；鍨檫B續(xù)送料的塑料薄膜，厚度為0.08mm，天線線圈以80mmx50mm 的間距規(guī)則排列，由于基板除了芯片附近區(qū)域外，有很大的區(qū)域內(nèi)對傳熱及芯片固化沒有影響，僅起著天線線圈的布局作用，根據(jù)簡化后的加熱頭尺寸，可取大小為4.5x4.5mm。在芯片與基板之間用ACA 固化連接，這里設(shè)定其半徑為0.6mm厚度為0.035mm。同時，由于模型的對稱性，取1/4 部分進行3D 有限元分析。邊界條件的設(shè)定根據(jù)實際條件，加工時上加熱已經(jīng)加熱到設(shè)定溫度，這里是180℃，同時溫控系統(tǒng)保證加熱頭在一個恒定的設(shè)定溫度上，所以設(shè)定上加熱頭的初始溫度值為180℃，同時在上加熱頭的上表面施加恒溫約束180℃，同樣地，對下加熱頭設(shè)定初始溫度為75℃，將整個下加熱頭的初始溫度設(shè)定為75℃。其它元件保存在室溫狀態(tài)下，所以設(shè)定初始溫度為25℃。其它與空氣接觸表面則處于對流換熱狀態(tài)。對流傳熱系數(shù)設(shè)為5，由于是恒溫加熱，加熱頭的A 面為恒溫?zé)嵩?，其溫度?00℃，基板下表面（B）為預(yù)熱區(qū)域，其溫度為70℃，相互接觸的區(qū)域通過熱傳導(dǎo)傳熱，開放區(qū)域通過對流與周邊空氣換熱。根據(jù)前面熱分析的結(jié)果，對加熱頭、基板只選取對計算結(jié)果有意義的區(qū)域進行計算。簡化后模型及生成的網(wǎng)格如圖2 所示。

2.3 計算結(jié)果及分析

首先，從傳熱性能的角度進行分析。經(jīng)過計算，可得從加熱開始到趨于穩(wěn)定的過程中溫度的變化過程及各元件的溫度場分布。在10s 的溫度分布切片圖如圖3 所示，從圖中可以看出，芯片與膠的溫度與上熱壓頭的溫度一致，基板處的溫度變化較大。

不考慮固化作用，膠的溫度變化過程如圖4 所示。考慮到在溫度變化初始階段的急劇變化，時間軸采用對數(shù)坐標?？梢钥闯觯珹CA 的升溫速度很快，在0.1s 內(nèi)溫度就上升到了上加熱頭溫度附近并穩(wěn)定。

加熱頭與芯片及ACA 相比，由于它具有相對大得多的熱慣性，在傳熱過程中其表面溫度幾乎沒有什么變化。加熱頭與芯片接觸的中心處的溫度曲線如圖4 所示，從圖中可見，只在開始約0.1 秒內(nèi)有小的溫度，此后便是平穩(wěn)的溫度。而加熱頭整體上基本保持著200℃的溫度芯片與加熱頭接觸的平面先有一個快速升溫，然后有一個溫降，由于芯片的傳熱導(dǎo)致加熱頭的溫度有一個瞬間下降的波動，在0.01 秒時就達到了所要求的熱壓溫度，然后就進入到了一個平穩(wěn)的溫度階段。

圖2 有限元模型網(wǎng)格圖

圖3 溫度分布切片圖

圖4 膠的溫度變化過程

圖5 基板溫度曲線變化圖

導(dǎo)電膠的傳熱過程與芯片的傳熱過程相似。其與芯片接觸表面中心處的溫度曲線如圖5 所示。在一個很短的時間內(nèi)，溫度便升到了工作溫度并保持平穩(wěn)。

溫度的主要變化區(qū)域在基板部分，其溫度的變化過程如圖5所示。由圖5 可看出，基板下表面一直維持在70 度的溫度下。基板上表面中心處很快就達到了ACA 封裝所要求的工作溫度，基板上表面中，距中心較近處（這里取的是距芯片邊緣0.4mm 處）在0.5 秒左右升至96 度并保持平衡，而其它地方則在升至70度時保持平穩(wěn)基板的傳熱系數(shù)不大，但由于其厚度較小，僅為0.2mm，在0.1 秒內(nèi)達到平衡。由于只有很小的一個區(qū)域是加熱頭及芯片的熱傳導(dǎo)作用區(qū)域，其他地方處于與空氣的對流換熱中，其表面溫度穩(wěn)定在45 度左右。

可以看到，溫度主要分布在芯片與ACA 對應(yīng)的區(qū)域，其余區(qū)域基本不受影響。

3 結(jié)論

根據(jù)以上分析，可初步斷定該熱壓頭設(shè)計方案及所選用的尺寸可滿足實際要求。