【摘 要】
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回流焊工艺是保证焊点可靠性的最重要的环节之一。目前,主流的回流焊工艺研究有三种方式:基于实验试错法、数理统计和虚拟仿真。前两种方式会花费大量的时间和物力,因此,回流焊工艺温度曲线虚拟仿真的省时省力的优势愈加突出,逐渐成为理论上指导回流焊工艺参数制定的最直接有效的方法。但是由于表面组装印制电路板PCBA以及回流炉的结构复杂,详细建模会导致仿真时间过长,效率得不到保障。而现阶段的简化,精确度又不足以指
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回流焊工艺是保证焊点可靠性的最重要的环节之一。目前,主流的回流焊工艺研究有三种方式:基于实验试错法、数理统计和虚拟仿真。前两种方式会花费大量的时间和物力,因此,回流焊工艺温度曲线虚拟仿真的省时省力的优势愈加突出,逐渐成为理论上指导回流焊工艺参数制定的最直接有效的方法。但是由于表面组装印制电路板PCBA以及回流炉的结构复杂,详细建模会导致仿真时间过长,效率得不到保障。而现阶段的简化,精确度又不足以指导生产中的工艺优化。因此,在回流焊工艺温度曲线的仿真中保证计算精度的同时如何大幅度提高仿真计算效率是仿真的重要意义之一。在SMT生产的印刷电路板PCBA中,塑封BGA是其中典型元器件,也是保证PCBA整体焊球可靠性的关键元器件,通常BGA的焊点在回流炉中得到充分焊接,则其他元器件的焊点可靠性也会得到保证。基于上述原因,本文针对PCB板和塑封BGA器件的结构、材料与热导率、比热容、密度的关系建立了热等效模型,展开了以下工作:(1)首先,使用ANSYS 19.2中的Space Claim模块建立了塑封BGA器件的详细模型,在建立BGA详细模型的过程中,选取了典型塑封BGA器件在传热过程中的四个重要结构:塑封壳、基板、芯片、焊球。之后,对塑封BGA建立了热阻网络模型,得到了塑封BGA厚度方向热导率的计算表达式,通过公式确定了6个热导率的影响参数,为下文的正交试验和回归分析做铺垫。为了提高数值计算和仿真的效率,本文对塑封BGA的焊点进行了单独简化将球台形状的焊球简化为六面体形状。将塑封BGA结构和材料参数代入热阻网络公式进行计算,得到的计算结果与仿真结果进行对比验证。对塑封BGA建立了热等效仿真模型,与详细模型的仿真结果进行对比验证。同时,建立了多层PCB板结构并使用了数值计算和仿真模拟两种方式对Icepak中的PCB自带模型的合理性进行了验证。(2)其次,采用正交试验法对塑封BGA器件的热导率进行数值模拟以探讨其主要六个影响因素的影响。基于正交试验法设计了6因素3水平的正交表,共有18组仿真试验。通过正交试验的仿真数据进行了极差、方差与交互作用的分析。极差分析的结果表明影响BGA等效热导率的主次关系为:芯片以上塑封壳的高度>焊球面积比>基板高度>芯片面积比>焊球高度>芯片高度。方差分析表明:对BGA厚度方向的等效热导率影响显著的因素包括芯片以上塑封壳的高度、焊球面积比和基板高度;由此可见,不论从极差分析还是方差分析都可以看出芯片以上塑封壳的高度与焊球面积比是主要的影因素。而根据交互作用分析结果得出结论:影响BGA厚度方向的等效热导率的因素之间有着交互作用。随后使用1stopt对因素进行了多元非线性回归分析,并使用遗传算法进行优化,最终得到对BGA厚度方向的热导率进行等效计算的数学模型。(3)最后,使用回流炉温采集仪(Wickon)对热风回流炉的回流温度进行实验测量,使用ANSYS 19.2中的Icepak模块建立了10温区的红外热风回流炉模型,分别建立实际生产的PCBA电路板的详细模型和热等效模型,对4个BGA中心位置进行回流温度仿真监测,将详细模型的回流曲线与热等效简化模型的回流曲线进行对比分析,将热等效简化模型的仿真回流温度曲线与实测的回流温度曲线进行对比分析,将BGA的横向热导率不同厚度方向热导率相同的简化模型的回流温度仿真曲线进行对比分析。
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