作者：黃晶

廣州安世亞太公司

目前，表面組裝技術（SMT）中，采用的釬焊技術主要是回流焊，因此，對回流焊溫度場的仿真研究極其重要。封裝結構中不同材料之間存在熱膨脹系數差異，電子封裝在回流焊溫變過程中會產生翹曲變形。結構的翹曲會影響封裝結構的共面度，引發芯片斷裂、界面分層和焊點裝聯缺陷等質量和可靠性問題。因而，掌握回流焊仿真分析技術，對提高產品封裝質量、優化電子封裝中回流焊的溫度設置具有相當重要的意義。

回流焊仿真技術路線

回流焊是一個熱加載過程，在進行回流焊仿真分析時，目前主要有以下幾種仿真技術路線：

• 基于CFD軟件的瞬態溫度場分析

采用此種方式，可以精確的考慮回流爐內的結構，考慮熱風及熱空氣在回流爐內的流動狀況，計算出來的溫度場比較準確。但是由于需要對流場域精確建模，并且還要計算長時間的瞬態和考慮結構的運動過程，計算量通常比較大。而且，采用CFD軟件，只能計算得到溫度場數據，無法直接得到PCB板的翹曲變形和焊點的失效。

• 基于結構分析軟件的溫度場+結構場耦合分析

此種方式直接利用了結構分析軟件中的熱分析功能和結構分析功能，可以同時計算出溫度場分布和應力應變場分布，這也是目前比較常用的方法。采用此種方法進行回流焊仿真分析時，主要問題在于溫度場的分析精度不高，從而會影響到結構應力和PCB板翹曲的計算。因為采用結構分析軟件進行溫度場模擬時，難以精確考慮空氣散熱的影響，通常只是施加了由經驗獲得的對流換熱系數。

• 基于CFD+結構分析軟件的熱固耦合分析

結合上述兩種方法的優缺點，直接采用流固耦合的方式，由CFD軟件計算溫度場，由結構分析軟件進行應力應變場、焊點失效分析和PCB板翹曲分析。采用此種方式能夠獲得最準確的結果，但是不僅需要兩種軟件，而且同樣面臨著CFD軟件計算溫度場分布時計算量過大的問題。

• 基于CFD+結構分析軟件的協同分析

這種方式雖然同樣需要CFD軟件和結構分析軟件，但是，采用CFD軟件主要用于計算結構表面的對流換熱系數，將計算得到的隨溫度變化的對流換熱系數傳遞給結構分析軟件，在結構分析軟件中計算溫度場和應力應變場，從而既能避免采用CFD軟件計算溫度場計算量過大的問題，又能保證溫度場計算的精度。

回流焊仿真分析中的關鍵技術點

• 焊點本構模型

焊點的壽命預測一直是焊點可靠性問題的重要內容。目前，已發展了多種形式的粘塑性本構模型，其中比較有代表性的有：Miller 模型、 Bodncr-Partom 模型、Anand 模型。Anand本構方程同時描述塑性和蠕變形變時準確可靠，并且在 ANSYS中可以方便地定義與調用。在ANSYS Workbench中可以方便地定義 ANAND本構模型的材料參數， ANAND本構模型的相關參數一共有九個：

• 翹曲變形計算

在計算PCB板的翹曲變形時，由于翹曲變形主要反映在相對變形上，而且也存在一些局部效應，采用通常的變形云圖來直接查看翹曲并不方便?；诼窂降挠嬎憬Y果可以直接給出沿某條線上計算得到的變形結果，而且可以直接繪制變形結果隨路徑距離的變化曲線，非常適用于查看PCB板的翹曲。

圖1  采用路徑結果來查看

回流焊仿真總結

綜上所述，電子封裝過程中常見的回流焊工藝的仿真分析，可以根據軟硬件配置，采用不同的技術方案來解決。ANSYS軟件提供了完整的仿真解決方案，并提供了關鍵的分析技術來提高仿真分析的精度。

除了上面內容，還有焊錫材料的具體參數設置和結果查看的方法在課程中有更詳細的介紹，歡迎大家共同交流討論。