基于有限元的一種熱壓頭結構設計研究

朱紅光

（中船重工第七二二研究所，湖北 武漢430079）

1 概述

RFID（Radio Frequency Identification）俗稱電子標簽，是一種非接觸式的自動識別技術。電子標簽應用規模及市場利益前景是所有信息技術大國所關注的，許多國家都將其作為重要的產業戰略和國家戰略來發展。

在RFID 應用中標簽的封裝是其中難度最大的一部分，目前RFID 封裝設備的供應商都為國外供應商，如Neubaur、Datacom。國內目前還沒有成熟的產品供應, 而擁有自我知識產權的RFID 封裝設備對RFID 產業的發展意義重大，RFID 封裝設備包括送料、點膠、貼裝、熱壓、收料等多個模塊。

RFID 封裝中的固化過程是一個復雜的多物理場耦合過程。固化部分由熱壓模塊（如圖1 所示）實現。熱壓固化時，上熱壓頭上升，下熱壓頭下降，施加的壓力使金屬粒子維持一定的變形，同時膠在熱壓頭的熱量作用下，溫度很快上升到固化溫度并開始固化過程。設備用上、下位機的方式實現。時間通過上位機根據定時器發送指令的方法實現，壓力通過伺服電機的精確的位置控制來嚴格控制高精度彈簧的壓縮量的方式來保證，對溫度的要求，則相對較多。從圖上可看出，在熱壓頭的上方是溫控電路板，如果模塊內部溫度較高，影響設備的使用壽命，同時影響運動部件的運動精度。另外，熱壓頭要保證加工時恒定的熱壓溫度，即在ACA 固化階段，參提供滿足要求的固化溫度，而且為了保證固化質量（主要是固化程度），充足的固化時間是必要的。為了滿足生產率的要求，需要使待固化的膠盡快升溫到固化溫度。

圖1 封裝中的熱壓模塊

ACA 固化時，熱量從上加熱頭經芯片（die）、導電膠(ACA)、再到基板，同時下加熱頭也有一個較低溫度的預熱作用。在維持一定的熱壓時間后完成膠的固化，其中，溫度場是不均勻的，多種傳熱方式并存，占主導的傳熱方式是熱傳導，同時各部件外表面與周圍環境，即大氣的對流換熱也應有所考慮。在整個加工過程中，溫度場是一個隨時間、空間的不同而變化的物理場。固化過程是一個發熱過程，涉及到熱場與化學場的耦合作用，該過程是一種雙向作用的強耦合過程，下面對熱壓頭的設計進行分析。

2 熱壓頭固化功能分析檢驗計算

2.1 主控方程

固化過程中，傳熱反應與固化反應相互耦合，兩種現象同時存在。對于傳熱過程，其主控方程為：

對于當前的ACP 還沒有實驗參數，采用ACF 的參數，如表1所示。材料的物性參數如表2 所示。

表1 ACF 的固化動力學參數

表2 材料的物性參數

2.2 熱壓固化過程中傳熱時模型的建立與分析

模型的簡化：在該系統中，根據加熱頭的實際尺寸及其功能，可將其尺寸簡化為1.5mm 邊長，厚為2mm 的方塊。所用芯片為0.764mmx0.764mm，厚度為0.35mm。基板為連續送料的塑料薄膜，厚度為0.08mm，天線線圈以80mmx50mm 的間距規則排列，由于基板除了芯片附近區域外，有很大的區域內對傳熱及芯片固化沒有影響，僅起著天線線圈的布局作用，根據簡化后的加熱頭尺寸，可取大小為4.5x4.5mm。在芯片與基板之間用ACA 固化連接，這里設定其半徑為0.6mm厚度為0.035mm。同時，由于模型的對稱性，取1/4 部分進行3D 有限元分析。邊界條件的設定根據實際條件，加工時上加熱已經加熱到設定溫度，這里是180℃，同時溫控系統保證加熱頭在一個恒定的設定溫度上，所以設定上加熱頭的初始溫度值為180℃，同時在上加熱頭的上表面施加恒溫約束180℃，同樣地，對下加熱頭設定初始溫度為75℃，將整個下加熱頭的初始溫度設定為75℃。其它元件保存在室溫狀態下，所以設定初始溫度為25℃。其它與空氣接觸表面則處于對流換熱狀態。對流傳熱系數設為5，由于是恒溫加熱，加熱頭的A 面為恒溫熱源，其溫度為200℃，基板下表面（B）為預熱區域，其溫度為70℃，相互接觸的區域通過熱傳導傳熱，開放區域通過對流與周邊空氣換熱。根據前面熱分析的結果，對加熱頭、基板只選取對計算結果有意義的區域進行計算。簡化后模型及生成的網格如圖2 所示。

2.3 計算結果及分析

首先，從傳熱性能的角度進行分析。經過計算，可得從加熱開始到趨于穩定的過程中溫度的變化過程及各元件的溫度場分布。在10s 的溫度分布切片圖如圖3 所示，從圖中可以看出，芯片與膠的溫度與上熱壓頭的溫度一致，基板處的溫度變化較大。

不考慮固化作用，膠的溫度變化過程如圖4 所示。考慮到在溫度變化初始階段的急劇變化，時間軸采用對數坐標。可以看出，ACA 的升溫速度很快，在0.1s 內溫度就上升到了上加熱頭溫度附近并穩定。

加熱頭與芯片及ACA 相比，由于它具有相對大得多的熱慣性，在傳熱過程中其表面溫度幾乎沒有什么變化。加熱頭與芯片接觸的中心處的溫度曲線如圖4 所示，從圖中可見，只在開始約0.1 秒內有小的溫度，此后便是平穩的溫度。而加熱頭整體上基本保持著200℃的溫度芯片與加熱頭接觸的平面先有一個快速升溫，然后有一個溫降，由于芯片的傳熱導致加熱頭的溫度有一個瞬間下降的波動，在0.01 秒時就達到了所要求的熱壓溫度，然后就進入到了一個平穩的溫度階段。

圖2 有限元模型網格圖

圖3 溫度分布切片圖

圖4 膠的溫度變化過程

圖5 基板溫度曲線變化圖

導電膠的傳熱過程與芯片的傳熱過程相似。其與芯片接觸表面中心處的溫度曲線如圖5 所示。在一個很短的時間內，溫度便升到了工作溫度并保持平穩。

溫度的主要變化區域在基板部分，其溫度的變化過程如圖5所示。由圖5 可看出，基板下表面一直維持在70 度的溫度下。基板上表面中心處很快就達到了ACA 封裝所要求的工作溫度，基板上表面中，距中心較近處（這里取的是距芯片邊緣0.4mm 處）在0.5 秒左右升至96 度并保持平衡，而其它地方則在升至70度時保持平穩基板的傳熱系數不大，但由于其厚度較小，僅為0.2mm，在0.1 秒內達到平衡。由于只有很小的一個區域是加熱頭及芯片的熱傳導作用區域，其他地方處于與空氣的對流換熱中，其表面溫度穩定在45 度左右。

可以看到，溫度主要分布在芯片與ACA 對應的區域，其余區域基本不受影響。

3 結論

根據以上分析，可初步斷定該熱壓頭設計方案及所選用的尺寸可滿足實際要求。