一种基于有限元仿真的真空汽相焊翘曲变形工艺优化方法

摘要

本发明公开了一种基于有限元仿真的真空汽相焊翘曲变形工艺优化方法，用于指导微电子封装生产。根据德国CondensoXM Vac型真空汽相再流焊炉，得到工艺参数，对给定工艺参数，进行仿真计算得到翘曲变形数据；利用ANSYS软件建立有限元仿真模型，将得到的翘曲变形量与IPC‑6012D标准进行比较；经过多次对比修正，得到最优工艺参数，实现真空汽相再流焊炉工艺参数优化，为微电子封装生产提供了优化指导。降低了因经验调整真空汽相再流焊炉造成的损失。

说明书

技术领域

本发明涉及微电子封装领域，具体涉及一种基于有限元仿真的真空汽相焊翘曲变形工艺优化方法。

背景技术

随着电子技术的飞速发展，电子行业的需求不断增加，电子产品也不断向轻薄化和微型化发展。SMT表面组装技术（Surface Mounted Technology），是电子组装行业里最流行的一种技术和工艺。是实现电子产品“轻、薄、短、小、多功能、高可靠、高质量、低成本”的主要手段之一，BGA 球栅阵列封装(Ball Grid Array)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，同时有利于散热，其中在利用真空汽相再流焊进行PBGA封装时，PCB组件产生的焊接缺陷主要为翘曲变形，这是因为PCB板与PBGA器件材料热膨胀系数不同，因此在再流焊加热时由于再流焊峰值温度高，PCB组件因焊料表面张力的作用发生翘曲变形，器件封装体变形的越厉害，形成短路的可能性越大。PCB组件翘曲程度的大小和再流焊时焊炉的工艺参数相关，通过经验调整真空汽相再流焊炉参数优化PCB组件的翘曲变形量会浪费大量时间，造成经济损失，为解决以上问题，提出了一种基于有限元仿真的真空汽相焊翘曲变形工艺优化方法，通过利用数值模拟的方法，实现真空汽相再流焊工艺参数优化，为微电子封装生产提供了优化指导，降低了因经验调整真空汽相再流焊炉参数造成的损失。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是旨在提供一种基于限元仿真的真空汽相再流焊翘曲变形的工艺参数优化方法，实现对再流焊工艺参数优化。

本发明采用的技术方案如下：基于有限元仿真的真空汽相再流焊翘曲变形的工艺参数优化方法，包括以下步骤：

（1）根据德国CondensoXM Vac型真空汽相再流焊炉，得到工艺参数；

（2）对给定的工艺参数，转化为有限元仿真模型的边界条件；

（3）利用ANSYS-Workbench软件建立有限元仿真模型，得到翘曲变形的相关数据；

（4）将得到的PCB板翘曲度与IPC-6012D标准进行比较；

（5）重复步骤（2）至（4）进行多次数值模拟，每次数值模拟时改变步骤（3）中的工艺参数设置；

（6）通过多次对比，得到翘曲度最低时的真空汽相再流焊炉最优工艺参数；

（7）根据步骤（6）中得到的最优工艺参数设置，对微电子封装提供优化指导。

进一步的，所述步骤（1）的具体步骤如下：

获取真空汽相再流焊炉参数，包括炉区尺寸，抽气孔位置，气相液注入口位置，加热器位置、尺寸，冷凝管位置、尺寸。

接着，将所述步骤（2）中对给定的工艺参数（汽相液注入次数，每次输入量，每次保持时间，汽相液回收时间，回收量，加热器功率，抽真空次数，抽真空时间，抽真空目标真空度，冷却时间，冷却时的冷风温度与风速）转化为有限元仿真模型加载的边界条件，并将其编写为UDF文件与Scheme脚本。

所述步骤（3）的具体子步骤如下：

3.1）通过ANSYS的DM模块建立有限元仿真所需的几何模型，划分好流体域和固体域，确定好边界条件命名与固体流体交界面的命名；

3.2）将几何模型导入Workbench mesh模块中进行网格划分前处理；

3.3）使用ANSYS的双向流固耦合功能，抑制住用于计算流体的几何模型中的固体区域，同样抑制住用于计算固体的几何模型中的流体区域；

3.4）将流体网格文件导入Fluent中，进行多项流动，物质转换，流体运动粘度方程、模型能量方程的设定与选择，定义材料参数、边界条件、求解器、求解相关参数的输入与设置，设定合理的监控点，加载UDF文件与Scheme脚本，通过动网格设定边界条件更新的时间节点，设定模型的初始计算条件；

3.5）将固体网格文件导入Transient Thermal模块与Transient Structural 模块中，设置相应的固体材料参数，PCB组件的固定方式，确认固体流体交界面标记无误；

3.6）使用ANSYS的System Coupling模块，进行流固耦合数据交换，并开始数值模拟计算，得到计算结果。

接着，所述步骤（4）为：进入 Transient Structural 模块，将计算得到的结果（流体固体耦合传热的数据）加载到PCB组件上，得到翘曲变形相关的数据，计算出PCB组件翘曲度；再将得到的翘曲度与IPC-6012D标准进行比较，主要是对比再流焊过程中，PCB组件发生最大翘曲的位置，翘曲形式，再流焊结束后器件的平整度。

接着，所述步骤（5）为：重复步骤（2）至（4）的过程，进行多次数值模拟计算时，改变的边界条件为：汽相液注入次数，每次输入量，每次保持时间，汽相液回收时间，回收量，加热器功率，抽真空次数，抽真空时间，抽真空目标真空度，冷却时间，冷却时的冷风温度与风速。

接着，所述步骤（6）为：将得到的翘曲度与IPC-6012D标准进行比较，最终获取最优工艺的边界条件参数设置，并将其转化为工艺参数。

本发明基于有限元仿真的真空汽相再流焊翘曲变形的工艺参数优化方法，将真空汽相再流焊中翘曲变形的工艺参数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真空汽相再流焊炉模型，对PCB组件焊接的过程进行数值模拟计算，优化了再流焊工艺参数，得到真空汽相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。降低经验调整真空汽相再流焊炉参数造成的损失，指导微电子封装生产。为真空汽相再流焊翘曲变形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是本次发明的基本流程结构图。

图3是本次发明的基本流程结构图。

图4是本次发明的再流焊炉示意图-视角1。

图5是本次发明的再流焊炉示意图-视角2。

图6，是本次发明的实施例翘曲变形分布图（放大20倍）。

图7是本次发明的实施例翘曲随时间变化的曲线图。

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限元仿真的真空汽相再流焊翘曲变形的工艺参数优化方法，实施流程如附图1所示。

1)获取再流焊炉参数包括真空汽相再流焊炉,炉腔整体尺寸、抽气孔位置，气相液注入口位置，加热器位置、尺寸，冷凝管位置、尺寸；再流焊炉实体模型如附图2，图3所示，包括再流焊炉主体、抽气孔，气相液注入口，加热器，冷凝管、PCB组件。其中热风炉长800mm，宽800mm、高200mm。PCB组件中PCB长180mm、宽150mm、厚2mm，PCB组件上有45x45mm的PBGA器件。

2)将给定的工艺参数（汽相液注入次数，每次输入量，每次保持时间，汽相液回收时间，回收量，加热器功率，抽真空次数，抽真空时间，抽真空目标真空度，冷却时间，冷却时的冷风温度与风速）转化为有限元仿真模型加载的边界条件，并将其编写为UDF文件与Scheme脚本。

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，做好分块，确定边界条件命名；（固体流体交界面，汽相液入口、抽气口、加热器，冷凝管）。

4)将几何模型导入Workbench mesh模块中进行网格划分前处理，采用扫掠网格划分方法，先划分中间的PBGA区域，在逐一向流体区域投影过去，网格数目在400万至500万，正交质量最小值大于0.01，满足Fluent计算收敛的网格质量要求。

5)使用ANSYS的双向流固耦合功能，在计算流体区沸腾流动时抑制住固体区域；在计算固体区热传导时抑制住流体区域。

6) 将流体网格文件导入Fluent中，设置数学模型（多相流模型-Vof模型，三相分别为：汽相液，汽相液蒸汽，空气；设定汽相液液态其态转换温度点，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，分子质量，标准态焓）设置边界条件（加热器温度，冷凝管温度，汽相液注入量与注入时间，汽相液回收时间，回收量，抽真空时间点，抽真空目标真空度，编译加载UDF），设置动网格，加载Scheme脚本，设定网格刷新时间，选择Coupled计算方法，调整亚松弛因子，设定模型计算初始条件，设定计算时步，步长，最大迭代次数。

7)将固体网格文件导入Transient Thermal模块与Transient Structural 模块中，设置固体材料物性参数（密度，泊松比，导热系数，比热容，热膨胀系数），PCB组件的固定方式，确认固体流体交界面标记无误。

8) 使用ANSYS的System Coupling模块定义流固耦合规则，为双向流固耦合，通过固体流体交界面交换数据，并开始数值模拟计算，得到计算结果。

9)进入 Transient Structural 模块，将计算得到的结果（流体固体耦合传热的数据）加载到PCB组件上，得到翘曲变形相关的数据与PCB组件的翘曲度，翘曲形式如附图4所示，翘曲量如如附图5所示；翘曲度为最大形变量与PCB板长度的比值；再将得到的翘曲度与IPC-6012D标准进行比较，主要是对比再流焊过程中，PCB组件发生最大翘曲的位置，翘曲形式，再流焊结束后器件的平整度。

10)重复步骤2-9对比模拟结果的翘曲变形量，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真空汽相再流焊炉最佳工艺设置参数。

根据步骤11）中的到的真空汽相再流焊炉最佳工艺设置参数，对微电子封装提供优化指导。

本发明基于有限元仿真的真空汽相再流焊翘曲变形的工艺参数优化方法，将真空汽相再流焊中翘曲变形的工艺参数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真空汽相再流焊炉模型，对PBGA器件焊接的过程进行数值模拟计算，优化了再流焊工艺参数，得到真空汽相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。降低经验调整真空汽相再流焊炉参数造成的损失，指导微电子封装生产。为真空汽相再流焊翘曲变形优化提供了一种简单快捷的方法。

本实施例硬件配置基于双路Intel Xeon E5-2698R v4@2.20 GHz CPU、NVIDIAGTX 2080Ti 11 GB GPU和128GB内存，Windows server 2019 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。