微波模块再流焊热-力分析及再流焊控制界面优化

摘要

随着表面贴装技术的迅速发展，高度集成化和窄间距化的微电子封装对焊接工艺提出了更高的要求，通过实验研究的传统方法已经越来越跟不上电子行业的快速发展节奏了。模拟仿真却可以解决这个问题，通过建立有限元仿真模型可以快速准确地求解焊件的温度场，确定再流焊组件的温度曲线，进一步也可以得到焊件的应力场和翘曲变形，从而对优化结构提供支持。因此，有限元热分析和结构分析越来越多地用于分析焊件温度曲线、优化再流焊工艺参数、计算焊件应力和变形以及优化焊件结构。
　　本文研究的是某LTCC(Low-temperature Cofired Ceramic，低温共烧陶瓷)微波组件的再流焊过程，为保证和提高焊接质量完成了以下工作。
　　1.分析了LTCC微波组件的再流焊加热机理，对组件在再流焊中的加热环境进行了理论计算，并将其转化为有限元模型的边界条件和初始条件。
　　2.建立了微波组件的热力学仿真模型，得到组件的温度场以及温度曲线，通过分析温度场以及温度曲线，总结了影响温度场的两个因素:先后关系和组件结构。并以此为基础详细阐述了组件在再流焊中温度场的变化趋势，发现焊件在刚出冷却区时的温度分布最不均匀。为工艺优化提供了支持。
　　3.通过合理的传热学简化，理论计算了组件的温度曲线。并利用热电偶，测量了组件典型位置（高温区域、低温区域及LTCC）的温度曲线。仿真结果与理论计算、实测曲线完全吻合，三种方法得到的曲线都一致显示出了温度曲线的特点:先后关系和分段现象。仿真与实测结果的温度偏差在8.7％以内。
　　4.对热变形的产生机理进行了分析，建立了计算组件的应力和结构变形的有限元模型。通过模型的计算结果，提出了优化LTCC的圆角尺寸、使用合适尺寸热匹配材料和施加外力约束变形等缓解LTCC应力集中的方案，提出优化壳体侧壁尺寸和增加厚度作为减小组件的翘曲变形的方案。并对提高再流焊质量提出了优化建议。
　　5.优化了再流焊监控界面，提高了其用户体验和友好性。为保证再流焊质量，用户需要监控再流焊参数，而原始的再流焊控制界面存在加重用户认知负担的不足，针对其不足提出了界面的改进方案，并利用眼动实验证明了用户使用优化后界面时，搜索和获取信息速度得到了大大的提高。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 表面组装技术简介

1．2 再流焊及其发展历史

1．3 焊接研究发展

1．3．1 解析法

1．3．2 数值模拟法

1．4 再流焊模拟研究的发展

1．4．1 基于热分析的再流焊工艺仿真模型

1．4．2 基于SPC的再流焊控制与预测系统

1．5 再流焊过程建模与仿真的意义

1．6 人机交互系统——用户界面设计

1．6．1 人机交互系统的发展

1．6．2 用户界面设计

1．6．3 界面设计的规则

1．7 本文的研究内容

第二章 传热机理与数学模型

2．1 再流焊中涉及的传热问题

2．2 热扩散方程

2．3 边界条件与初始条件

2．3．1 边界条件

2．3．2 初始条件

2．4 本章小结

第三章 LTCC组件的建模与温度场仿真

3．1 LTCC组件有限元模型

3．1．1 几何模型

3．1．2 网格划分

3．1．3 材料参数

3．2 加载

3．2．1 初始温度

3．2．2 加热机理分析

3．2．3 对流传热系数与辐射换热系数

3．3 求解

3．3．1 换热系数曲线

3．3．2 环境温度曲线

3．4 仿真结果与验证

3．4．1 温区转换--先后关系影响下的温度场

3．4．2 加热温区--结构特点影响下的温度场

3．4．3 冷却时的温度场

3．5 三种温度曲线

3．5．1 理论温度曲线

3．5．2 实测温度曲线

3．5．3 模拟温度曲线

3．6 本章小结

第四章 LTCC组件力学仿真与优化

4．1 热应力有限元分析方法

4．2 变形的机理分析

4．3 设置

4．3．1 边界条件与约束

4．3．2 接触条件

4．3．3 加载设置

4．4 仿真结果

4．4．1 翘曲

4．4．2 热应力

4．5 优化策略

4．5．1 优化方法

4．5．2 优化原则与思路

4．6 LTCC槽内圆角的优化

4．6．1 增大圆角

4．6．2 圆角尺寸的影响

4．6．3 热应力优化方案一

4．7 过渡层匹配优化

4．7．1 匹配材料

4．7．2 过渡层匹配的效果

4．7．3 过渡层厚度对焊接的影晌

4．7．4 不同材料匹配的影响

4．7．5 热应力优化方案二

4．8 约束壳体变形的影响

4．8．1 夹具力的大小的影响

4．8．2 热应力优化方案三

4．9 侧壁的优化

4．9．1 侧壁尺寸

4．9．2 优化计算结果

4．9．3 侧壁尺寸的影响

4．9．4 翘曲的优化方案一

4．10 壳体厚度的影响

4．10．1 增加厚度

4．10．2 翘曲优化方案二

4．11 其他措施

4．11．1 元件布局

4．11．2 夹具优化

4．11．3 提高焊接质量

4．12 本章小结

第五章 再流焊控制系统界面的再设计

5．1 引言

5．2 再流焊控制系统

5．2．1 操作流程

5．2．2 参数分类

5．2．3 控制功能部分

5．2．4 信息显示功能

5．2．5 系统结构和布局

5．3 界面功能优化

5．3．1 原界面

5．3．2 参数输入霁面优化

5．3．3 显示和监控功能优化

5．3．4 控制按钮及其他功麓优化

5．4 界面元素设计

5．4．1 界面风格的设计

5．4．2 文字的应用

5．4．3 色彩的选择

5．4．4 图形的使用

5．5 眼动实验

5．5．1 眼动实验的准备

5．5．2 结果分析

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献