基于ANSYS Workbench的回流焊熱分析及二次開發

□ 王曙淮 □ 陳志敏 □ 丁 竹

1.東南大學 機械工程學院 南京 211189

2.考文垂大學 商學院 英國考文垂 CV

隨著計算機性能和有限元技術的發展，三維焊接過程數值模擬的研究受到越來越多研究人員的關注，焊接溫度場分布反映了復雜的焊接熱過程，而熱應變影響著熔合、裂紋和組織等與焊接質量相關的指標，它是影響焊接質量和焊接生產率的主要因素［1-2］。相比傳統數值模擬技術，焊接模擬還不是很成熟，操作過程也較為復雜。目前，在有限元領域中，由于ANSYS Workbench相比經典ANSYS界面更加人性化，操作簡單，功能也日益完善，從而越來越多的研究人員選擇ANSYS Workbench作為模擬仿真的工具。但是大多數研究人員從事的只是ANSYS Workbench模擬仿真的工作，對其二次開發的并不多。本文主要研究低溫共燒陶瓷（LTCC）基板的回流焊溫度場，根據回流焊的實際工況進行建模仿真，采用對流面分段加載的方法來模擬進出各個爐區的效果。使用Visual Basic語言和ACT模塊對ANSYS Workbench后處理進行二次開發，可以直觀反映工藝參數是否滿足工藝要求，進而提高模擬仿真的效率。

1 有限元模型的建立

1.1 幾何模型的建立

用三維軟件Catia對LTCC、殼體及其夾具體進行建模，然后將模型存為stp格式再導入Workbench中，如圖1所示。其中殼體厚度為2.16mm，材料為Al-Si；LTCC基板厚度為1.58mm；釬料厚度為50 μm，材料為Sn63Pb37。Anand黏塑性模型可以有效地描述Sn63Pb37焊錫釬料的應力應變情況［3］，相關參數見表1，其余材料為Al-Mg合金。

▲圖1 LTCC和殼體

表1 Anand模型的參數

1.2 單元處理

如圖2所示，LTCC基板單元大小為1mm，其余零件單元大小均為1.5mm，采用去除中間節點自動劃分單元的方法，并對LTCC基板上槽的四周進行細化，得到節點數為94464、單元數為359586。

▲圖2 單元劃分效果圖

1.3 邊界條件

對低溫共燒陶瓷基板進行焊接的回流爐是熱風爐，被焊接件和熱風爐之間的熱交換主要是對流傳導，而內部組件主要是靠熱傳導來進行傳熱。一般情況下，室內的自然對流傳熱系數為 18～20（W/m2·K），氣體的強制對流傳熱系數為 20～100（W/m2·K）［4］。

2 結果分析

2.1 SMT溫度曲線分析和KIC2000檢測原理

由于電子封裝組件和焊料的多樣性，SMT溫度曲線沒有一個明確具體的劃定界限，國際標準資料只給出檢測溫度曲線各個參數上下限的參考值。由于陶瓷器件對溫差和溫升速率較為敏感，因此要適當縮小溫度曲線的各個參數，從而保證焊接質量和元器件不被損壞［5-6］。溫度曲線的各個參數設置如圖3所示，預熱區通常是指溫度由常溫升高至150℃左右的區域，在這個區域﹐溫度緩升以利焊錫中的部分溶劑及水汽能夠及時揮發，但是由于零部件的各個表面積不一樣，為避免溫度不均勻的影響，需要經保溫區來減小各零部件之間的溫差。保溫區也稱活性區，此時焊錫處于融化前夕，焊膏中的揮發物會進一步被去除﹐活化劑開始啟動﹐并有效地去除焊接表面的氧化物，此階段通常處于爐子2～3個區域，時間維持約60～90 s。回流區是焊接過程中溫度最高的區域，回流焊的峰值溫度取決于焊料的熔點溫度和組裝零件所能承受的溫度，一般的峰值溫度應該比焊料的正常熔點要高出約20～30℃，才能順利完成焊接作業，如果低于此溫度，則有可能會造成冷焊和潤濕不良的缺陷。

▲圖3 溫度曲線各個參數的參考標準

KIC2000爐溫測試儀是實時測量焊接回流工藝的設備和進行優化工藝窗口指數的工具。KIC軟件可以使每一個熱電偶都能使用其獨特的工藝窗口，并且軟件能自動給出最佳的爐溫設置值。工藝窗口主要含有兩個工藝指數，如圖4所示，分別為各階段的時間和制程工藝指數（PWI），其中時間表示焊錫在該階段停留的時間，PWI能判斷溫度曲線是否在規格內還是超出了規格。PWI是100%或者更大時，表示這個曲線在規格外處理產品，PWI小于99%，表示曲線在規格內。PWI正確地告訴用戶使用的曲線制程工藝指數是多少，曲線的完善程度，PWI值越低代表曲線越好。99%的PWI是很危險的，因為它表示工藝很容易超出控制。PWI的計算方法為：

式中：χ為實際檢測值；a為給定目標范圍的上限；b為給定目標范圍的下限。

▲圖4 KIC2000工藝窗口

2.2 二次開發

客戶化定制開發工具（ACT）是ANSYS定制開發套件產品的一部分，是在ANSYS Workbench中定制開發Mechanical軟件界面的工具，ANSYS定制開發套件產品還包括Workbench軟件開發工具包（SDK）。一些企業通過定制ANSYS仿真環境，使分析專家的經驗和知識固化下來，同時為非專業用戶提供了專業分析的方法。另外，通過客戶化定制，可以將復雜的自研程序進行公開和標準化，便于日常使用，從而提高仿真工程師的工作效率。

在R14.5的版本中，ACT的工作環境只有Mechanical，而目前的最新版本 R15，不僅適用Mechanical， 而且在 Design Explorer（DX） 和 Design Modeler（DM）也有良好表現。在Workbench的環境下，附加模塊的開發是以Python和XML為基礎語言進行編程的。 XML（Extensible Warkup Language）是類似于HTML的可擴展標記語言，可以利用XML語言對Workbench環境下的按鈕和操作命令進行編程，例如本文需要通過點擊16×16像素的圖標來調用VB程序，這個事件的名稱和工具欄參數設置都需要在XML中進行編程，如圖5所示。Python的作用是定義XML中函數的具體功能，例如本文Python只需要執行調用某路徑下的VB程序即可。將已寫好的程序置于extensions文件夾下，在Workbench的界面中勾選加載即可，如圖6所示。刷新ACT Development，如果加載成功，Workbench界面就會出現SMT擴展程序，如圖7所示，否則在extension log file中會出現錯誤警告。

2.3 模擬溫度曲線和改進方法

▲圖5 Extensions中的XML內容

▲圖6 加載SMT工具

▲圖7 擴展程序加載成功

利用ANSYS Workbench對模型進行加載后求解，其中傳送帶速為55 cm/min，爐溫設置見表2。執行XML和Python編寫的GUI命令程序，VB程序被調用后，將數據導入模擬KIC2000的VB程序（圖8）。在浸泡階段內（150～183℃）焊錫停留時間過短，會導致錫珠、空洞和焊后斷開等一系列焊接質量問題。峰值溫度和回流時間也都存在隱患，可能會導致生焊和不沾錫等現象。在SMT回流焊的過程中，要綜合評價溫度曲線是否合適，因為曲線的每一個參數都會導致焊接質量問題，使殼體和LTCC基板之間存在應力集中現象，進而引發LTCC陶瓷基板產生裂紋［7］。

表2 各個爐區溫度設置

由于上述溫度曲線不能滿足工藝要求，PWI超出了規格范圍，因此需要對爐溫和傳送帶速進行重新設計。經優化，設定傳送帶速為60 cm/min，爐溫設置見表3。ANSYS Workbench重新加載計算，求解結果如圖9所示。浸泡時間、峰值溫度和回流時間都有明顯改善，因此優化后的爐溫比未優化的爐溫設置更合理。

表3 優化后各個爐區溫度設置

3 結論

由以上的分析和計算，可以得出以下結論。

▲圖8 模擬KIC2000軟件的工藝窗口（未優化爐溫）

▲圖9 模擬KIC2000軟件的工藝窗口（優化爐溫）

（1）ANSYS Workbench可以聯合多種編程語言進行二次開發，設計人員可以通過選擇任意較為熟悉的編程語言進行開發，明顯降低編程開發的難度和提高仿真工程師的工作效率。

（2）回流焊爐各個溫區的溫度設置直接影響焊接質量，合理設置爐溫和傳送帶速可以提高焊接質量，進而降低裂紋出現的幾率。

（3）通過模擬爐溫測試儀KIC2000溫度曲線的評定，可以直觀地發現預熱時間、保溫時間、回流時間等是否符合工藝要求，進而對爐區的溫度和傳送帶速進行優化設計，滿足產品的工藝要求。

［1］RadajD.HeatEffectsofWelding：Temperature Field，Residual Stresses， Distortion［M］.New York：SpringerVerlag Berlin Heidelberg，1992.

［2］胡繩蓀，蔣秀曄，申俊琦，等.基于ANSYS二次開發的焊接溫度場前處理系統 ［J］.天津大學學報，2013，46（22）：1039-1044.

［3］G Z Wang，Z N Cheng，K Becker，et al.Applying Anand Model to Represent the Viscoplastic Deformation Behavior of Solder Alloys ［J］.JournalofElectronic Packaging，2001，123：247-253.

［4］黃丙元.SMT再流焊溫度場的建模與仿真［D］.天津：天津大學，2005.

［5］IPC-7530，Guidelines for Temperature Profile for Mass Soldering Processe（Reflow&Wave）［S］.

［6］IPC/JEDEC J-STD-020C，Moisture/Reflow Sensitivity Classification for Nonhermetic Solidstate Surface Mount Devices［S］.

［7］王惠平.SMT再流焊溫度曲線對焊接質量的影響［J］.青海大學學報，2009，27（2）：13-15.