一种基于有限元仿真的再流焊工艺曲线优化方法

摘要

本发明公开了一种基于有限元仿真的再流焊工艺曲线优化方法，用于为微电子封装生产提供了优化指导。根据德国ERSA HOTFLOW3/20型热风再流焊炉，得到再流焊炉参数；对给定工艺参数，进行仿真计算得出温度曲线；利用Fluent软件建立有限元仿真模型；将得到的温度曲线与IPC‑610D推荐温度曲线进行比对；通过多次比对，得到最优工艺曲线；实现热风再流焊工艺曲线优化，为微电子封装生产提供了优化指导，降低了因经验调整热风再流焊炉参数造成的损失。

说明书

技术领域

本发明涉及微电子封装领域，具体涉及一种有限元仿真的再流焊工艺曲线优化方法。

背景技术

随着SMT技术的高速发展，电子行业的需求也不断增加，电子产品也不断向轻薄化和微小化发展，然而BGA(球栅阵列封装)作为一种良好的新型芯片封装形式可以有效提高电子产品的集成度。而PBGA器件在焊接过程中，因焊接曲线设置不当所产生的焊接缺陷形式主要有：元器件爆裂、翘曲、桥接、虚焊、PCB脱层起泡等，这些缺陷可以通过优化工艺曲线加以避免，但通过经验调整热风再流焊炉参数改进工艺曲线会造成大量损失，为解决上述问题提出了一种基于有限元仿真的热风再流焊工艺曲线优化方法，通过利用数值模拟方法，实现热风再流焊工艺曲线优化，为微电子封装生产提供了优化指导，降低了因经验调整热风再流焊炉参数造成的损失。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的旨在提供一种基于有限元仿真的再流焊工艺曲线优化方法，实现对再流焊工艺曲线的优化。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：基于有限元仿真的再流焊工艺曲线优化方法，包括以下步骤：

（1）根据德国ERSA HOTFLOW3/20型热风再流焊炉，得到再流焊炉参数；

（2）对给定工艺参数，进行仿真计算得出温度曲线；

（3）利用Fluent软件建立有限元仿真模型；

（4）将得到的温度曲线与IPC-610D推荐温度曲线进行比对；

（5）重复步骤（1）至（4）进行多次数值模拟，每一次数值模拟时改变步骤（2）中的工艺参数设置；

（6）通过多次比对，得到最优工艺曲线；

（7）根据步骤（6）得到的最佳工艺曲线设置，对微电子封装提供优化指导。

进一步地，所述步骤(1)的具体步骤如下：

获取再流焊炉参数包括热风再流焊炉外形整体尺寸、吹风口分布位置、传送链行进方向、炉区分布。

进一步地，所述步骤（2）为：将给定的工艺参数（十四个炉区温度、链速）转换为温度随时间变化的温度曲线，再将此曲线编程为UDF文件；

进一步地，所述步骤(3)的具体子步骤如下：

步骤2.1）、通过ANSYS的DM模块建立仿真所需的几何模型，划分好流体域与固体域，确定边界条件命名；

步骤2.2）、将几何模型导入Meshing模块中进行网格划分前处理。

步骤2.3）、将网格文件导入Fluent中，设置边界条件（UDF文件编译加载）、物性参数、数学模型、计算方法；

步骤2.3）、进行设定模型计算初始条件以及开始数值模拟计算，得到计算结果。

进一步地，所述步骤(4)为：将计算得到的结果导入至CFD-POST模块中进行后处理，提取出焊点的温度曲线，再将得到的温度曲线与IPC-610D推荐温度曲线进行比对，主要比对升温区的升温速率、保温区升温速率，再流区峰值温度保持时间，冷却区降温速率。

进一步地，所述步骤(5)为：十四个炉区中第一炉区温度、第五炉区温度、第八炉区温度、第十三炉区温度为焊接过程中的关键炉区；重复步骤（1）至（5）的过程进行多次数值模拟每一次数值模拟时，改变的边界条件包括：第一炉区温度、第五炉区温度、第八炉区温度、第十三炉区温度、链速。

进一步地，所述步骤(6)为：将得到的温度曲线与IPC-610D推荐温度曲线进行比对，最终得出最优的炉区温度参数设置以及链速设置。

本发明基于有限元仿真的再流焊工艺曲线优化方法，将再流焊工艺曲线优化的工程问题转化为数学问题。采用此方法，建立与实际体系一致的热风再流焊炉模型，对PBGA器件焊接过程进行数值模拟计算，优化了再流焊工艺曲线，得到热风再流焊炉最优参数设置，为微电子封装生产提供了优化指导。降低经验调整热风再流焊炉造成的损失是，指导微电子封装生产。为再流焊接温度曲线优化提供了一种简单快捷的方法。

附图说明

图1是本次发明的基本流程结构图。

图2是本次发明的再流焊炉示意图。

图3是本次发明的实施例温度分布图。

图4是本次发明的实施例温度曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，对本发明进一步详细说明。此处说明若涉及到具体实例时仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

本实施例中的一种基于有限元仿真的再流焊工艺曲线优化方法，实施流程如附图1所示。

1)获取再流焊炉参数包括热风再流焊炉外形整体尺寸、吹风口分布位置、传送链行进方向、炉区分布；再流焊炉实体模型如图2所示，包括再流焊炉主体、吹风口、出风口、PCB组件。其中热风炉长520mm，宽310mm、高70mm。PCB组件中PCB长180mm、宽150mm、厚1.6mm，PCB组件上有45x45mm的PBGA器件。

2)将给定的工艺参数（十四个炉区温度、链速）转换为温度随时间变化的温度曲线，再将此曲线编程为UDF文件。

3)通过ANSYS的DM模块建立仿真所需的几何模型，划分好流体域与固体域，确定边界条件命名（流速入口、流速出口、壁面）。

4)将几何模型导入Meshing模块中进行网格划分前处理，采用扫掠网格，自动网格，四面体网格划分方法，网格数目在400万至500万，正交质量最小值低于0.01，满足Fluent计算收敛的网格质量要求。

5)将网格文件导入Fluent中，设置边界条件（设置风速，编译加载UDF），设置数学模型（k-ε湍流模型、能量模型）、物性参数（密度、黏度、比热容、导热系数）、边界条件（风速、热风温度UDF曲线）选择SIMPLE计算方法，设定模型计算初始条件以及开始数值模拟计算，导入CFD-POST模块中进行后处理得到温度分布云图以及焊点温度曲线。

6)将数值模拟得到的焊点温度曲线与IPC-610D推荐温度曲线进行比对。

7)重复步骤1、2、3、4、5对比模拟结果的温度分布图与焊点温度曲线图，能直观的判断调整参数后的效果，由模拟结果的最优解直至得到热风再流焊炉最佳炉区温度设置参数。

根据步骤7）中的到的热风再流焊炉最佳炉区温度设置参数，对微电子封装提供优化指导。

本发明基于有限元仿真的再流焊工艺曲线优化方法，将再流焊工艺曲线优化的工程问题转化为数学问题。采用此方法，建立与实际体系一致的热风再流焊炉模型，对PBGA器件焊接过程进行数值模拟计算，优化了再流焊工艺曲线，得到热风再流焊炉最优参数设置，为微电子封装生产提供了优化指导。降低经验调整热风再流焊炉造成的损失是，指导微电子封装生产。为再流焊接温度曲线优化提供了一种简单快捷的方法。

本实施例硬件配置基于Intel Xeon E5-2620 v4@2.10 GHz CPU、NVIDIA GTX1080Ti 11 GB GPU和128GB内存，Windows 10操作系统下。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。