PCB变形的建模与仿真.docx
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PCB变形的建模与仿真
印刷电路板在回焊过程中变形的建模与仿真
摘要
在SMT中,回焊是非常重要的工站。
在回焊过程中受到热冲击已成为印刷电路板(简称为PCB)组件生产过程中产生缺陷的主要原因之一。
PCB组件组成材料不同,热膨胀系数等热性能参数相差较大,容易产生翘曲变形等缺陷,造成元器件和PCB之间的电气和物理连接失败,导致整个PCB组件失效。
而由于传统的,经反复试验、反复调整来改进回焊工艺的方法既费时又耗费大量实验经费,不能适应当前电子产品更新速度快、竞争日益激烈的需求,在这一背景下,焊接工艺的建模与仿真、预测与控制研究引起了广泛的关注。
模拟仿真可以识别在回焊过程中的温度变化以及确定其对生产质量的影响;对回焊温度曲线的设定使设计者根据PCB热分布重新排布组件从而使产品设计达到最优化。
本文利用有限元法对PCB组件在回焊过程中的受热进行分析,建立瞬态温度场和应力场模型。
用ANSYS软件对PCB组件在回焊过程中由于受热产生的热机械反应进行了模拟和建模,得出了温度场以及应力场的分布。
由于PCB组件组成材料的热物理性能不同,以及经过不同的温区加热,模拟了不同时刻整个PCB组件的温度场分布。
建立了一个贴装了3个PLCC的4层PCB板物理简化模型,模拟了在三种约束条件下,该组件在回焊过程中受热冲击时,产生的热应力及热变形。
选取PCB上3个点,得到了在三种约束下面位移和离面位移的位移量,即在底面对角两点约束下面位移和离面位移的位移量最大;底面4顶点约束下面位移和离面位移的位移量其次;底面两对边约束下面位移和离面位移的位移量最小。
通过仿真可对回焊温度曲线进行优化,使得PCB组件得到比较均匀的温度场分布,并调整对PCB的约束,使得变形最小化。
关键词:
回焊;热应力;建模;温度场;仿真;
ModellingandsimulatingforPCBDeformedinrefolwsoldering
Abstractofthesis
ReflowsolderingisveryimportanttechnicsinSMT.ThermalimpacttoPCBAduringreflowsolderingisconsideredoneofthemaindriversformanufacturingdefects.ThematerialsmakingupaPCBAisvarious,andthethermalpropertyofthematerialsisalsodifferent,thismaycausesomedefectsforexamplewargpage.ExcessivewarpageinthePCBmayresultingapsformingbetweenthemoduleleadsandthemoltensolderonthesolderpads,thenthefailureofelectronicallyandphysicalconnectionleadtoPCBA'sdefect.Thetraditionalapproachofexperimentallyanalysingproductiondefectswouldbecostlyandvirtuallyimpossible,andcan'treachthedemandoftheproducerforthefastrenovationandtheacutecompetition.Analternativetothisapproachistoderivecomputationalandnumericalmodelsthatencapsulaterepresentationsofthekeyprocessphysics,sothateffectanalysisofthepertinentprocessvariablesmaybeexamined.TheapplicationofthemodellingandsimulationtoasamplePCBAhasbeencarriedouttoexplorehowunduevariationsinthereflowtemperaturecanbeminimizedbyanumberofdifferentstrategies.IthasbeenshownthatsimplemovementsofcomponentscanhavequitebeneficialeffectsontheoverallprocessthermalhistoryofthePCB.
ThepaperusefiniteelementanalysismethodanalysisthethermalimpactofPCBAduringthereflowsoldering,andbuildingthetemperatureandstressdistributionmodel.ThepapermodelandsimulatethethermalwarpageofPCBAduringreflowsoldering,getthetemperatureandstressdistributionofPCBA.ThispapersimulatethetemperaturedistributionofPCBAundertheconditionofthematerialmakingupPCBAisdifferent,andPCBAwillgothroughdifferentovensection,buildingasimplephysicalmodelofa4-layerPCBwith3PLCCstosimulatethethermalstressandwarpageofPCBAunderthreeconstrainedconditions,whenthePCBAgothroughtheovensections.ComparedthesurfacedisplacementandtheZaxisdisplacementofthreepointsonthePCBunderthethreeconstrainedconditiontogettheresultoffollowing.Thethermalwarpagehappenedundertheconstrainedconditionsofthetwopointsonthecrosswereconstrainedislargethanthathappenedundertheconstrainedconditionsofthefourpointswereconstrained.theconstrainedconditionsofthetwosideswereSimulationwarpageisconstrained.Optimizeandthetemperatureminimizedbyadjusting,thetemperaturefigureisattainablethroughthedistributionofPCBAismoreuniform,alsotheconstrainedcondition.KEYWORD:
refolwsoldering;thermalstress;modelingtemperaturefield;Simulation;
摘要..................................................................................................................................................1
Abstract..............................................................................................................................................1
目录.............................................................................................................................................2
第一章绪论....................................................................................................................................3
1.课题背景意义.................................................................................................................3
2.国内外研究概况............................................................................................................3
3.研究思路及方法............................................................................................................4
第二章PCB组件概述.................................................................................................................5
2.1PCB简介........................................................................................................................5
2.1.1PCB的分类.........................................................................................................5
2.1.2PCB的材料组成.................................................................................................6
2.1.3PCB的制造流程.................................................................................................7
2.2PCB组件........................................................................................................................8
2.3小结................................................................................................................................8
第三章PCB理论分析与建模.......................................................................................................12
3.1温度场数学模型的建立............................................................................................12
3.1.1温度场概况.....................................................................................................12
3.1.2热传递的基本方式........................................................................................12
3.1.3初始条件和边界条件....................................................................................13
3.1.4温度场的泛函表达式....................................................................................15
3.2热应力的数学模型......................................................................................................19
3.2.1热应力概述........................................................................................................19
3.2.2热弹性理论基本方程.......................................................................................20
3.2.3热应力的有限元方程.......................................................................................22
3.3小结...............................................................................................................................23
第四章PCB组件的建模与仿真...............................................................................................24
4.1建模以及仿真步骤...................................................................................................24
4.2仿真结果及分析 ......................................................................................................42
4.3小结.............................................................................................................................44
第五章:
总结与展望....................................................................................................................45
致谢..........................................................................................................................................46
参考文献....................................................................................................................................47
附录...............................................................................................................................................48
第一章绪论
1.课题背景及意义
在SMT中,回焊是非常重要的工站。
在回焊过程中受到热冲击而变形已成为PCB组件生产过程中产生缺陷的主要原因之一。
PCB组件组成材料不同,热膨胀系数等热性能参数相差较大,容易产生翘曲变形等缺陷,造成元器件和PCB之间的电气和物理连接失败,导致整个PCB组件失效。
而由于传统的方法是经过反复试验、反复调整来改进回焊工艺,这样的方法既费时又耗费大量实验经费,不能适应当前电子产品更新速度快、竞争日益激烈的需求,在这一背景下,焊接工艺的建模与仿真、预测与控制研究引起了广泛的关注。
模拟仿真可以识别在回焊过程中的温度变化以及确定其对生产质量的影响;对回焊温度曲线的设定使设计者根据PCB热分布重新排布组件从而使产品设计达到最优化也是有用的。
同时,模拟仿真也可以使得回焊炉以及更具热效率的设备的设计得到优化。
通过本次毕业设计达到可以通过大量试验获得较多资料来建模,继而在后续时间里可以向仿真方面发展。
使本司的生产能适应当前电子产品更新速度快、竞争日益激烈的需求.
富士康科技集团是以台湾鸿海精密工业股份有限公司为主体的跨国企业集团,主要生产计算机、网络通讯、消费电子等高科技关键零组件及系统产品,近年来挟其制造专长与Apple、Intel、Cisco、HP、Dell、IBM、Sony等国际顶尖客户结成了策略联盟,已发展成为全球最大的计算机连接器、计算机准系统生产厂商。
2000年开始,富士康正式切入移动通信领域,并迅速成为全球领先的移动通信企业诺基亚及摩托罗拉的重要策略伙伴之一。
富士康科技集团自成立以来,年年业绩大幅提升。
从2002年起,富士康连续6年蝉联中国大陆出口200强第一,2005年荣登美国<<财富>>500强排行榜。
这一系列成长数字的背后与富士康超强的生产及管理能力有着密不可分的关系。
本文将从富士康现场生产的实践出发,探讨解决SMT生产中PCB变形的方法。
2.国内外研究概况
SMT工艺建模与仿真研究,包含锡膏印刷、贴片、回焊等工艺建模与仿真研究。
在AMT组装的锡膏印刷的建模与仿真研究方面,SHMannan(1994年)与A0Ogunjimi(1995年)进行了研究。
[此处有使用到参考文献6;7;8],桂林电子工业学院的黄春跃,周德俭等对细微间距器件焊点形态成形进行了建模与预测。
[此处有使用到参考文献9],他们利用液态铅料润湿理论、最小能量原理等焊点形态相关的理论和方法,在己知铅料量、铅料性质和接触角等焊点形态参数情况下,采用SurfaceEvolves交互式软件,基于最小能量原理建立了在表面势能、重力势能不外力势能作用下的QFP焊点三维形态成形模型,对QFP焊点形态主要参数进行了预测。
运用建立的QFP焊点三维形态成形模型,分析了相关因素(铅料量、间隙高度、重力、引脚位移)对QFP焊点三维形态的影响,得出了以下结论;
1)铅料量、间隙高度、引脚位移是影响四焊点三维形态的关键因素;
2)重力对四焊点三维形态影响微弱,可以忽略,铅料量的多少是桥接缺陷出现与否的关键因素,控制锡料量是避免该缺陷产生的有效途径;
3)可利用所建立的QFP器件焊点形态成形模型可以对铅料量的控制进行实际指导,以避免桥接缺陷的出现;
4)引脚与焊盘间隙高度发生变化时,将会影响引脚的是否润湿会造成钎料不足或焊点不完整,从而引起焊点的初期失效;
5)基于最小能量原理的QFP焊点三维形态建模和有限元方法,能有效地对QFP类焊点形态进行预测,并可以根据预测结果,对实际的QFP焊点形态设计进行指导。
除了上述在加热机理的基础上,建立包括焊接炉结构,元器件类型与材料,传热方式等相关内容在内的回焊工艺模型的方法之外,还存在另一种方法:
基于统计程控(SPC:
StatisticalProcessControl)原理,设计数据采集记录自动分析仪,并以此为基础建立回焊工艺模型。
该方法思路是设计一温度采集系统,分别在空载、负载条件下,通过多组正交实验采集在不同的工艺环境下的数据,形成实际的温度曲线,运用数理统计的方法,对比分析在不同的工艺环境下实际的温度曲线与设计曲线之间的关系,从而得出设计温度曲线与实际温度曲线以及各工艺环境参数与实际温度曲线之间的关系。
一方面,该系统可作为回焊的在线监测与控制系统;另一方面,可以独立于回焊炉,进行回焊焊接温度曲线的预测与设定[此处有使用到参考文献1.2;3;4;5;10;11;12;13;14;15;16;]
3.研究思路及方法
1、研究内容
本课题的研究主要针对PCB在回焊过程中发生的变形加以分析,并通过大量的试验及在生产过程中出现的问题收集相关的数据和数据利用数学建模。
以便在后续工作中能及时的解决该类问题。
适应当前电子产品更新速度快、竞争日益激烈的需求
2、研究路线和技术方案
本文将对PCB组件在回焊过程中受到的热冲击及其它形变进行分析,拟用有限元法建立PCB的瞬态温度场、应力场的数学模型。
对PCB组件在回焊过程中受热产生的变形进行模拟并进行数学建模,后续将进行仿真,期望得到以下结果:
(1)合适的回焊温度曲线,以及各时刻PCB面上的温度分布;
(2)PCB组件各时刻的应力场分布,以及PCB热变形情况;
(3)PCB面上三点的面位移和离面位移。
目前所有的电器都象集成化,小型化发展,这其中都要用到PCB,而在SMT生产中PCB的变形一直是一个困扰SMT行业的老问题,研究PCB变形对了解产品的生产过程和
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- 关 键 词:
- PCB 变形 建模 仿真