真空电阻凸焊有限元分析及优化设计

摘要

本文以MEMS器件真空电阻凸焊过程为研究对象，采用ANSYS软件，对真空电阻凸焊过程进行了热-电-结构三场耦合模拟分析。模拟分析过程中充分考虑了接触电阻、相变潜热、以及随温度变化的材料物理力学性能等因素对熔核生长过程的影响。分析结果表明：预压阶段凸焊筋接触面附近区域产生较大的塑性变形，凸焊筋与工件贴合面部位产生良好的物理接触和导电通路；通电加热阶段，凸焊筋压溃主要发生在通电过程的前半部分时间内，而以后的通电时间，主要是凸点部分金属熔化，最终形成凸焊焊核的过程；冷却结晶阶段，凸点附近温度迅速下降，在材料熔点处出现拐点，之后逐渐冷却到室温，焊后残余应力在焊核边界的位置发生剧烈变化。 在真空电阻凸焊三场耦合分析的基础上，运用ANSYS自带的ADPL语言进行参数化编程，分析不同焊接参数和凸焊筋几何形状对焊接质量的影响，并进行焊接试验验证，具体内容包括：分析了三种不同焊接电流对焊接质量的影响，结果表明焊接电流为20KA时有利于得到优质焊核；分析了三种不同电极压力对焊接质量的影响，结果表明电极压力为20KN时热生成率和电极压力形成动态平衡，焊核稳定增长，有利于得到满意的焊接质量；分析了三种不同凸焊筋高度对焊接质量的影响，结果表明凸焊筋高度为0．8mm有利于得到优质焊核；分析了三种不同凸焊筋角度对焊接质量的影响，结果表明凸焊筋顶角为60°有利于得到优质焊核；分析了三种不同凸焊筋边距对焊接质量的影响，结果表明凸焊筋边距为2．1mm有利于得到优质焊核；进行焊接试件拉伸强度试验和泄漏率测试试验，试验结果与数值分析结果吻合。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1 章绪论

1.1 课题背景

1.2 电阻凸焊研究内容和方法

1.3 电阻凸焊的国内外研究状况

1.4 电阻凸焊过程数值模的发展趋势

1.5 本文的主要研究内容

第2 章真空电阻凸焊的有限元数值建模

2.1 引言

2.2 结构分析有限元建模方法

2.2.1 弹性材料本构关系

2.2.2 塑性材料本构关系及有限元实现

2.2.3 接触分析

2.2.4 等参有限元的离散化

2.2.5 真空电阻凸焊结构分析的有限元实现

2.2.6 非线性分析的Newton—Raphson法及其收敛极限

2.3 电场有限元建模方法

2.3.1 电场有限元方程

2.3.2 真空电阻凸焊电场分析的有限元实现

2.4 热传导有限元建模方法

2.4.1 热传导有限元方程

2.4.2 真空电阻凸焊温度场分析的有限元实现

2.5 电、热、结构耦合场分析有限元建模方法

2.6 本章小结

第3 章基于ANSYS的真空电阻凸焊有限元分析

3.1 概述

3.1.1 电阻凸焊过程描述

3.1.2 MEMS元件真空电阻凸焊封装的实现方法

3.1.3 有限元分析方法以及模拟流程

3.1.4 真空电阻凸焊过程工艺参数

3.2 预压接触模拟分析

3.2.1 预压接触分析有限元模型的假设条件

3.2.2 凸焊物理过程的几何模型、网格划分及边界条件

3.2.3 材料力学性能参数

3.2.4 预压接触结果分析

3.3 通电加热过程的模拟分析

3.3.1 热电耦合分析

3.3.2 热弹塑性分析

3.3.3 热、电、结构三场耦合分析

3.4 冷却结晶及焊后残余应力的模拟分析

3.4.1 有限元建模、网格划分

3.4.2 材料属性

3.4.3 边界条件、加载及求解

3.4.4 结果分析

3.5 本章小节

第4 章真空电阻凸焊的优化设计

4.1 凸焊规范参数及其相互关系

4.2 焊接电流对凸焊质量的影响

4.3 电极压力对凸焊质量的影响

4.4 凸焊筋高度对凸焊质量的影响

4.5 凸焊筋角度对凸焊质量的影响

4.6 不同凸焊筋边距对凸焊质量的影响

4.7 试验验证

4.7.1 外壳焊接强度测量

4.7.2 泄漏率试验测试

4.8 本章小节

第5 章结论与展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致 谢