基于ANSYS的再流焊接工藝參數(shù)仿真與預測軟件開發(fā)

周 穎

（安徽工貿(mào)職業(yè)技術學院機械與汽車工程系，淮南 232009）

0 引言

隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，各種高精度現(xiàn)代智能電子設備的應用領域更加廣泛，人們對電子產(chǎn)品的整體質(zhì)量與可靠性提出了更高的要求［1，2］.由于SMT 及其封裝向著高度集成化、高性能化、多引線和窄間距的方向發(fā)展，如BGA、CSP、FC 等，從而對組裝技術同樣提出了更高的要求.不斷增加的組裝密度以及相應元器件尺寸的減少產(chǎn)生了很多產(chǎn)品組裝質(zhì)量問題，傳統(tǒng)的實驗分析方法對于分析產(chǎn)品故障來說不僅費用昂貴，同時很難保證實驗資料的可靠性.目前SMT 產(chǎn)品單個品種的生產(chǎn)周期較長，從收料、準備到設備貼裝生產(chǎn)，每一生產(chǎn)環(huán)節(jié)都可能對產(chǎn)品質(zhì)量造成影響.現(xiàn)有SMT 生產(chǎn)流程含15個串行步驟，依次是物料清點及檢查、生產(chǎn)資料準備、物料預烘、設計圖紙與BOM 確認、設備編程、焊膏回溫、印膏、印膏質(zhì)量首檢及返工、上料/換料、上料正確性確認、貼片、貼片質(zhì)量自檢及修整、回流焊、回流焊后焊接質(zhì)量檢測、過程數(shù)據(jù)記錄.

大量研究實驗表明，在電子封裝過程中焊點連接是非常重要的，許多人認為電子設備的可靠性常歸根于焊點的可靠性，也有人認為由于焊點尺寸越來越小，焊點成為最弱的連接環(huán)節(jié)，必須進行仔細研究設計以防疲勞失效［3-4］.隨著計算機技術的發(fā)展，計算機技術和工程實際相結合，對SMT 關鍵工藝進行監(jiān)控和仿真是解決問題的有效手段.在SMT 組裝過程中，焊接質(zhì)量的好壞直接關系到產(chǎn)品的質(zhì)量好壞.利用計算機仿真再流焊接工藝過程，不僅能夠提高分析的效率，而且可以減少實驗費用，減少通過試湊法設置溫度曲線所用的時間.

在生產(chǎn)實際中，溫區(qū)溫度是關鍵的工藝參數(shù)之一，溫區(qū)溫度設置的好壞直接關系到焊接質(zhì)量的好壞.對于特定的再流焊爐來說，由于溫區(qū)數(shù)目一定，則合理設置各溫區(qū)的溫度顯得尤為重要.回流焊接工序中合理的溫度曲線設置是保證回流焊接質(zhì)量的關鍵，不恰當?shù)臏囟惹€會使PCB 板出現(xiàn)焊接不全、虛焊、元器件翹立、焊錫球過多等焊接缺陷，嚴重影響焊接質(zhì)量.一般來說，為了保證產(chǎn)品在焊接過程中不受大的熱沖擊以及保證充分焊接，可以提高預熱區(qū)的溫度和減慢焊接傳送速度，但是速度太低顯然會影響產(chǎn)品的產(chǎn)量.加強溫濕度監(jiān)測力度，提高濕敏性元件焊接質(zhì)量.對于濕敏性元器件在SMT 的回流焊接中，因濕氣膨脹、材料的不匹配以及材料界面劣化等因素的影響會導致元器件開裂或者內(nèi)部關鍵界面的分層.通過對生產(chǎn)環(huán)境溫濕度的嚴格監(jiān)測及控制，可有效保證濕敏性元器件的焊接質(zhì)量.

傳送速度體現(xiàn)的是生產(chǎn)效率，焊接傳送速度決定了產(chǎn)品在再流焊爐中的加熱時間，減慢傳送速度可以增加SMA 的加熱時間，減少由于受熱不均勻造成的部分焊接不充分現(xiàn)象，能有效防止冷焊現(xiàn)象的產(chǎn)生.但是過慢的傳送速度會嚴重影響產(chǎn)品的產(chǎn)量，另外也可能造成局部元件過熱，從而影響產(chǎn)品的可靠性和壽命.

產(chǎn)品的布局是指元件在基板上的分布情況，由于不同元件的體積、密度不同，造成元件的質(zhì)量各不相同，在考慮元件的溫度隨時間的變化關系時，可以忽略元件的熱阻，把元件當作一個微元體來看待，則利用集總參數(shù)法可以建立元件在焊接過程中的集總參數(shù)數(shù)學模型，即

顯然熱容量大的元件溫度變化比較慢，在焊接過程中為了防止局部過熱，在SMA 設計時，一般把熱容量大的元件盡量均勻分布在整個基板的表面.

1 仿真軟件系統(tǒng)應具有的功能

為了實現(xiàn)再流焊接溫度曲線的自動設置，并能應用于生產(chǎn)實際，再流焊仿真與預測軟件系統(tǒng)必須具備以下兩個基本功能：

（1）系統(tǒng)能夠自動根據(jù)產(chǎn)品的特點建立ANSYS 實體模型.

由于ANSYS 溫度場仿真模型對SMA 進行了許多簡化，在實際生產(chǎn)中可能造成模型不準確，另外建立ANSYS 實體模型的過程比較復雜，對每種產(chǎn)品都建立實體模型的過程過于繁瑣.對于再流焊接預測與仿真系統(tǒng)，可以對ANSYS 進行二次開發(fā)，建立SMA 電子CAD 文檔自動轉化為ANSYS 實體模型之間的接口程序，方便建立仿真系統(tǒng)的實體模型.在建立實際產(chǎn)品的有限元模型之后，能方便設置工藝參數(shù).

（2）建立并完善專家評價系統(tǒng).

通過仿真系統(tǒng)的分析，在得到該工藝參數(shù)條件下SMA 的溫度響應和溫度曲線之后，通過專家評價系統(tǒng)，給出參數(shù)修改意見.專家系統(tǒng)要根據(jù)特別有經(jīng)驗的工程技術人員的實踐經(jīng)驗，結合比如器件的熱容量大小、各種元器件的敏感溫度、元器件在敏感溫度之上的功能失效時間、焊點數(shù)量及其大小形態(tài)、焊接速度（傳送速度）等作出參數(shù)設置好壞的綜合判斷，并日趨完善.當然，這部分工作大部分由數(shù)據(jù)庫及統(tǒng)計分析方式形成約束條件體現(xiàn)在軟件編程之中.

2 基于數(shù)據(jù)庫的仿真系統(tǒng)

由于SMA 幾何外觀的復雜性，SMA 電子文檔和ANSYS 程序的接口程序?qū)崿F(xiàn)有一定的難度，在建立了SMA 有限元分析模型后，如何通過再流焊接工藝仿真系統(tǒng)對焊接過程中SMA 溫度變化進行分析評價，是實現(xiàn)仿真系統(tǒng)的關鍵.再流焊接工藝參數(shù)設置的三個關鍵是產(chǎn)品布局，溫區(qū)溫度以及傳送速度.為了解決仿真系統(tǒng)不能自動建立ANSYS仿真模型的問題，可以在現(xiàn)有大量數(shù)據(jù)的基礎上，通過建立產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫，再流焊爐溫區(qū)溫度數(shù)據(jù)庫和通過輸入不同的傳輸速度值來定義典型產(chǎn)品的合理工藝.

對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行再加工，形成一個綜合的面向分析的環(huán)境，以更好支持決策分析，從而形成了數(shù)據(jù)倉庫技術（Data Warehousing，簡稱DW）.由于產(chǎn)品布局以及溫區(qū)的設置具有相似性，對于具有相似布局的產(chǎn)品而言，其溫區(qū)的溫度設置帶有很大的相似性，只需通過微調(diào)就能達到工藝要求.基于這樣的思想，可以在積累大量生產(chǎn)實際數(shù)據(jù)的基礎上，把統(tǒng)計分析和數(shù)據(jù)庫相結合，建立基于典型產(chǎn)品布局和典型溫度設置的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng).

和傳統(tǒng)的焊接工藝設置方法相比，由于用計算機存儲了大量的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)并經(jīng)過合理的統(tǒng)計分析，再結合通過訓練完善的專家系統(tǒng)評價，其效率會大于任何一個有經(jīng)驗的工程師.從而杜絕了通過多次試湊來確定焊接工藝造成的時間浪費.充分節(jié)約了人力資源，提高了生產(chǎn)效率.利用數(shù)據(jù)庫的可擴充性，逐步完善產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫、溫度曲線數(shù)據(jù)庫以及溫區(qū)溫度設置數(shù)據(jù)，從而提高仿真系統(tǒng)的準確性和快速性.

傳統(tǒng)的溫度設置方法在測試溫度的時候，測試點的確定是一個關鍵，一般根據(jù)產(chǎn)品布局以及以往的經(jīng)驗，在熱容量比較集中和分散的地方分別取上三點，以此來估計整個SMA 板溫度隨時間的變化關系.該仿真系統(tǒng)通過數(shù)學建模和ANSYS 分析，可以準確地判斷SMA 的溫度的分布情況，為測試點的確定提供科學依據(jù).

通過選擇特定的產(chǎn)品以及再流焊接工藝參數(shù)，結合ANSYS 仿真模型，計算出該產(chǎn)品在焊接過程中的溫度響應，然后通過作為本軟件重要組成部分的專家系統(tǒng)判斷溫度曲線是否達到最優(yōu).如果在該工藝條件下，產(chǎn)品的溫度曲線存在問題，通過專家系統(tǒng)判斷可能產(chǎn)生問題的工藝原因，然后輸出反饋信息，通過計算機的反饋信息，人工改變相應的工藝參數(shù)，再通過ANSYS 仿真模型進行計算，直到得到合理的溫度曲線.

在該仿真系統(tǒng)中，主要通過評價產(chǎn)品的最高溫度是否超過焊接溫度時間、產(chǎn)品每一部分的溫度差別情況以及溫度隨時間的變化圖是否在理想溫度曲線的范圍內(nèi)來判斷工藝參數(shù)設置的好壞.

3 再流焊接工藝仿真與預測系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn)

上述分析明確了再流焊接工藝仿真系統(tǒng)基本思想，在系統(tǒng)總體框架下，作者把再流焊接工藝預測與仿真系統(tǒng)分成三大模塊，一是產(chǎn)品和工藝參數(shù)的選擇模塊，二是ANSYS 分析模塊，三是分析評價模塊，如圖1 所示.

圖1 再流焊接仿真與預測系統(tǒng)框架圖

從圖1 中可知，采用該軟件可以方便地選擇不同的產(chǎn)品和再流焊接工藝參數(shù)，并經(jīng)過有限元分析計算，得到相應產(chǎn)品在焊接過程中的溫度響應，然后通過專家評價系統(tǒng)，判斷在此工藝參數(shù)下，產(chǎn)品的溫度響應是否合理，提出修改再流焊接工藝參數(shù)的意見，通過多次比較和修改，完成再流焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化過程.

該再流焊接工藝預測與仿真系統(tǒng)軟件用VC++編程語言編制，軟件采用模塊式結構，整體以Windows7 為平臺形成中文顯示交互式軟件，圖2為SMT 再流焊接預測與仿真系統(tǒng)交互式操作過程中所示各功能界面拷貝.該軟件有很強的操作導航功能，使用操作過程簡單.

圖2 再流焊接仿真與預測軟件各個界面圖

為了比較該仿真預測軟件的優(yōu)化效果，作者分別導出了同一SMA 有限元分析模型在再流焊接參數(shù)優(yōu)化前后的溫度曲線，如圖3 所示，左為優(yōu)化前，右為優(yōu)化后.對比可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后溫度曲線平滑，高溫段時間較短.

圖3 參數(shù)優(yōu)化前后SMA溫度曲線比較

4 結束語

根據(jù)再流焊接工藝生產(chǎn)實際，提出了基于數(shù)據(jù)庫和統(tǒng)計分析方法的再流焊接工藝預測與仿真系統(tǒng)的基本思想，建立了再流焊接工藝預測與仿真系統(tǒng).采用VC++作為編程語言，開發(fā)了再流焊接工藝預測與仿真系統(tǒng)軟件.通過日益完善軟件的專家評價系統(tǒng)，可以指導生產(chǎn)實踐中選定最合理的工藝參數(shù).