高硅铝电子封装壳体激光焊接的数值模拟

摘要

高硅铝材料近年来被广泛用于电子封装上,但是高硅铝内部含有大量的硅颗粒以及表面氧化膜的存在等,因此熔焊性能差,具有较高的裂纹形成倾向。脉冲激光焊的焊接线能量较低,适用于微型件与精密元器件的焊接。本文采用数值模拟方法研究高硅铝合金壳体脉冲激光焊时的温度场、焊接应力场及焊后残余应力分布,摸索合理的焊接规范参数,以避免裂纹的形成及壳体底板上芯片的过热倾向。　　通过比较分析,确定选用高斯面热源加三维锥体热源的组合热源模型。根据脉冲激光功率特点引入三角周期函数,实现了热源功率的循环加载。通过壳体焊接过程的热模拟,分析了壳体中各焊道焊接过程中的温度分布规律与变化趋势。焊接加热过程中接头附近的温度梯度较高,随焊接过程进行壳体温度持续上升,末道焊焊缝完成时固定在底板上的芯片具有较大的过热倾向。　　通过对壳体焊接应力变化及焊后残余应力的模拟,分析了在熔池末端处于脆性温度范围内的双向拉伸应力的存在,因此具有较高的凝固裂纹形成倾向。室温下壳体焊缝中存在较高的纵向拉伸残余应力,具有一定的低塑性脆化裂纹形成倾向。　　模拟分析了激光脉冲宽度、焊接速度变化和间断焊接对壳体温度分布的影响,确定了能够保证焊缝外观成型和密封性能要求的合理规范。焊接速度的选择范围十分有限,通过减少脉宽或采用间断焊接,都可以有效地降低底板温度,避免芯片过热。　　为了验证模拟的准确性,进行了焊接动态温度场的测定和焊后残余应力检测,经比较验证了温度场的模拟具有较高的准确性,而通过粉末压制成型的高硅铝壳体内由于初始应力的存在,使得检测结果与模拟结果差异较大。

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第一章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题研究背景及意义

1.3 高硅铝合金

1.4 焊接过程数字模拟的发展

1.5 课题研究的主要内容

第二章 激光焊热源模型的讨论

2.1 激光焊接数值模拟的发展

2.2 激光焊常用热源模型

2.3 热源模型的选择

2.4 本章小结

第三章 壳体焊接温度场模拟

3.1 焊接温度场的数值模拟

3.2 后处理

3.3 模拟结果

3.4 焊接热循环曲线

3.5 本章小结

第四章 壳体焊接应力场模拟

4.1 应力模拟的方法

4.2 焊接动态应力

4.3 焊接残余应力

4.4 本章小结

第五章 工艺规范参数对壳体温度场的影响

5.1 改变工艺参数

5.2 改变焊接工艺

5.3 热循环曲线

5.4 本章小结

第六章 实验验证

6.1 测量焊接动态温度场

6.2 表面应力的检测

6.3 焊接接头的金相分析

6.4 本章小结

第七章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文