PCB板激光直接成形溫度場計算機軟件模擬研究

◎姜穎

PCB板激光直接成形溫度場計算機軟件模擬研究

◎姜穎

激光加工是激光系統最常用的應用。根據激光束與材料相互作用的機理，可將激光加工分為激光熱加工和光化學反應加工兩類。PCB中文名稱為印制電路板，又稱印刷電路板、印刷線路板，是重要的電子部件、電子元器件的支撐體、電子元器件電氣連接的載體。激光加工PCB板時，激光照射材料表面，材料吸收熱量至發生強烈的相變，由固態—液態—氣態，熱能增加，使金屬蒸汽以較高的壓力從液相的底部猛烈噴出，并攜帶著液相材料一起噴，形成火花濺射。加熱停止，液態金屬重新凝固，在材料表面形成再熔層，并利用ANSYS軟件實現激光熱源的模擬移動加載。最后通過后處理，給出了激光溫度場的動態變化圖。

PCB簡介

印刷電路板經常被使用英語簡稱PCB，它以絕緣板為基材，至少有一個導電圖案和分布在上面的孔（如元件孔，孔金屬化等），用來取代以前裝置的電子元器件的底盤，并實現電子元件之間的相互聯系。因為這個板是通過在覆銅板上用底片照相的方法印刷防腐蝕膜層，然后再腐蝕成形得到需要的電路，它被稱為印刷電路板。根據電路板層數可分為單面板，雙面板，四層，六層及多層電路板。常說的印刷電路板或PCB板是沒有安裝任何元器件的裸板。

問題提出及解決方法

激光可以用來去除材料，但是用來去除印刷電路板板上的銅箔卻困難。印刷電路板的基材是玻璃纖維板，很容易在高溫下氧化變色，影響后續工藝。要求激光的能量控制的剛好，既能把需要剝離的銅箔去除干凈，還要保證盡量少的傷害到基材。

激光直接成形技術就是不采用制作底片—>貼覆蓋膜—>照相曝光—>顯影—>蝕刻—>去膜的傳統化學工藝，直接在覆銅板上形成線路，直接用激光去除銅箔易燒焦基材，所以有了新的加工方法。用激光燒蝕出輪廓，對需要去除銅箔的地方進行分區，把大的面積分成一個個很細的方塊或細長的三角形，這就要求調整好激光參數，盡量減少對未加工區域的熱影響，能量調到剛剛能切穿銅箔，而不損及基材，這個過程一般稱為Hatch（填充）。Hatch后的圖形如圖2-1所示，Heat后的圖形如圖2-2所示。

ANSYS熱分析主要用于計算一個系統或部件的溫度分布及其他熱物理參數，如熱梯度、熱流密度等。ANSYS熱分析包括熱傳導、輻射及對流等多種熱傳遞方式。激光加工過程雖然復雜，偶然因素多，但也遵循基本科學理論，如流體力學、傳熱學、固體力學等。這樣可以把激光加工過程簡化成求解液態金屬流動、凝固及溫度變化的問題，在一定初始條件和邊界條件下，求解傅里葉熱傳導方程或彈塑性方程。

PCB板激光直接成形過程數值模擬

建立PCB板的三維幾何模型及劃分網格。計算中工件尺寸為50mm×40mm×0.5mm，材料為紫銅，激光束在KI線上沿X軸移動。實際模型簡圖如圖3-1所示。在ANSYS中劃分網格的方式有兩種，分別為自由網格劃分和映射網格劃分。激光掃描過程是一個加熱不均勻的過程，在焊縫處溫度梯度變化很大，劃分網格時一般不采取均勻的網格，而是在光斑及其附近的部分用加密網格，在遠離光斑的區域，能量傳遞緩慢，溫度分布梯度變化相對較小，可以采用相對稀疏的單元網格，如圖3-2所示。

激光直接成形工藝參數。主要包括：掃描速度、激光功率和激光頻率。選用的激光熱源是呈高斯分布的移動熱源，除了這些參數外，還有光斑直徑、有效加熱面積。選擇高斯移動熱源的參數如下：

激光功率：Qmax=20W;激光頻率：f=30Hz；掃描速度：V=3m/min；光斑直徑：Lsize=0.1mm；

加載完成后就是求解過程，點擊求解后計算機就開始自動運行，求解完畢就得到數據文件。提取數據時需要用到ANSYS的通用后處理器(POST1)和時間歷程相應后處理器(POST26)兩個后處理模塊，從POST1中可提取諸如溫度、應力分布云圖，還可以提取出某時刻在焊件某個方向上的應力變化曲線；從POST26中可以提取出某點的某個值隨時間的變化曲線。

從圖中標尺中顯示出各個區域的溫度，也可提取出工件任意一點的溫度值大小，及它的溫度循環曲線，預測加工區和加工熱影響區的組織形態及晶粒大小，對規劃復雜路徑，減少熱影響區，有非常實際的意義。

對激光直接成形過程的結果分析。材料剛開始被加熱時激光直接成形區的溫度開始上升，并且傳導到周圍，由于激光的運動速度很快，在很短的時間內就達到了最高點，這從各參考點的溫度曲線圖上可以明顯看到，在激光路徑上的點都有一個很尖的最高值，而熱影響區的考察點的溫度曲線就相對平滑很多。與路徑上的點比差別很大。

通過不同光斑的比較，發現光斑越大，照射區也增大，在功率一定的情況下光斑越大，能量密度越小，溫度影響區大。在激光直接成形的過程中最高溫度隨激光光束不斷移動，且和激光光束的速度有一定的關系。得出各種激光參數對激光照射區及熱影響區的影響，為激光加工PCB板工藝改進提供了重要的依據。建立了可行的激光PCB板直接成形過程二維溫度場的動態模擬分析方法，為優化激光加工工藝和激光參數，提供了理論依據和指導。

激光直接形成溫度場數值模擬是相當復雜的，熱物理性質的非線性、銅箔與基材之間的接觸影響等等。對于這樣的系統，分析其數字仿真軟件和它的實現也比較復雜，調查結果的分析是很難做出直觀的正確判斷，因此有必要對軟件系統軟件的正確性和精度進行驗證，

本文根據有限元分析軟件ANSYS,根據有限元原理對瞬態溫度場的分析，給出了各種激光的熱源數學模型、高速移動熱源的解析解、激光熱傳導的解析方法。本文考慮了材料的熱物理性能和力學性能隨溫度的變化，選取適當的計算時間，選取高斯函數分布的熱源模型，并利用ANSYS軟件實現激光熱源的模擬移動加載。最后通過后處理，給出了激光溫度場的動態變化圖。

(作者單位：天津輕工職業技術學院)