馮 烈

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

自2006年7月1日起，為了加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)，歐洲電器與電子機(jī)器組織（WEEE&Rohs）開(kāi)始強(qiáng)制執(zhí)行“無(wú)鉛化焊接技術(shù)”。次年3月，我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部等七部委聯(lián)合發(fā)布的《電子信息產(chǎn)品污染控制管理辦法》開(kāi)始施行。無(wú)鉛焊接技術(shù)成為電子制造中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[1]。波峰焊接過(guò)程包含噴涂助焊劑、預(yù)熱、焊接三個(gè)主要過(guò)程，每個(gè)過(guò)程都對(duì)焊接質(zhì)量有重要影響，而其中焊接過(guò)程的影響尤為重要，影響因素包含錫槽溫度、波峰形狀、波峰高度、速度等等，是造成各種焊接缺陷形成的主要原因。行業(yè)內(nèi)通常采用DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，對(duì)這些因素進(jìn)行單獨(dú)或整體的分析。隨著仿真技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得波峰焊接過(guò)程的仿真成為可能。但由于影響因素復(fù)雜，以及波峰焊技術(shù)本身的原因，目前對(duì)于波峰焊接相關(guān)的仿真研究很少，對(duì)焊接過(guò)程的仿真研究幾乎空白。

為實(shí)現(xiàn)波峰焊接過(guò)程的仿真分析，本文運(yùn)用ANSYS/Fluent對(duì)THT元件波峰焊接過(guò)程進(jìn)行研究，得到了波峰焊接過(guò)程流場(chǎng)，建立了波峰焊焊接過(guò)程分析模型。

1 波峰焊機(jī)理

波峰焊是指將熔化的軟釬焊料（鉛錫合金），經(jīng)電動(dòng)泵或電磁泵噴流成設(shè)計(jì)要求的焊料波峰，亦可通過(guò)向焊料池注入氮?dú)鈦?lái)形成，使預(yù)先裝有元器件的印制板通過(guò)焊料波峰，實(shí)現(xiàn)元器件焊端或引腳與印制板焊盤(pán)之間機(jī)械與電氣連接的軟釬焊[2]，如圖1所示。

2 仿真模型的建立

針對(duì)單個(gè)THT元件進(jìn)行建模，結(jié)合PCB板在Creo中建立如圖2所示的三維模型，對(duì)模型在突出典型特征的情況下進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，包含元件的引腳、PCB板、空氣區(qū)域，其中焊盤(pán)、沉銅、綠油等區(qū)域通過(guò)Imprint Face來(lái)標(biāo)記為面，并在仿真軟件中賦予相應(yīng)的邊界條件。

通過(guò)分塊方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用Sweep方法對(duì)單個(gè)區(qū)塊進(jìn)行劃分，由于PCB、引腳等模型固體部分只涉及熱量的傳遞，即只進(jìn)行能量方程求解，網(wǎng)格劃分較粗，而包含空氣和錫液的流體區(qū)域則需對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，尤其是近焊盤(pán)、沉銅等區(qū)域，以獲得錫液流動(dòng)過(guò)程較為清晰的流動(dòng)界面。獲得規(guī)整的網(wǎng)格區(qū)域，如圖3所示。

考慮模型網(wǎng)格劃分的形狀、尺寸大小等因素對(duì)求解結(jié)果有著較大影響，尤其影響著氣液兩相界面形貌，較差的網(wǎng)格劃分往往使得兩相界面形貌粗糙，進(jìn)而導(dǎo)致計(jì)算難以收斂。于是根據(jù)模型特點(diǎn)，采用疏密結(jié)合的網(wǎng)格劃分特點(diǎn)，對(duì)于錫液流動(dòng)關(guān)鍵區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密，如通孔處和焊盤(pán)處，圖4（b）中該兩處的網(wǎng)格劃分尺寸為遠(yuǎn)離焊盤(pán)區(qū)域網(wǎng)格尺寸的1/3-1/4，從而足夠在計(jì)算中捕捉到焊盤(pán)的潤(rùn)濕過(guò)程及毛細(xì)力的驅(qū)動(dòng)作用。此外，對(duì)于靠近固體壁面處，也即流體邊界區(qū)域網(wǎng)格同樣進(jìn)行一定程度的加密，這從圖4（a）中可以直觀的看出。液體邊界的無(wú)滑移邊界條件使得邊界處速度梯度較大，所以網(wǎng)格要?jiǎng)澐州^細(xì)，以捕獲速度梯度的變化。

3 材料參數(shù)

仿真計(jì)算需要的物性參數(shù)包含熱分析需要的密度、導(dǎo)熱系數(shù)、熱容，以及流動(dòng)分析計(jì)算需要的粘度、接觸角、表面張力，且對(duì)于粘度、接觸角、表面張力這些對(duì)流動(dòng)影響較大參數(shù)設(shè)置為溫度相關(guān)項(xiàng)，因此計(jì)算過(guò)程為非線性。通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)獲取上述相關(guān)數(shù)據(jù)，如表1所示。

圖1 波峰焊接原理

圖2 THT元件引腳模型

圖3 模型網(wǎng)格劃分

其中，對(duì)于粘度、潤(rùn)濕角、表面張力三項(xiàng)與溫度相關(guān)項(xiàng)，編輯寫(xiě)入U(xiǎn)DF文件，加載到Fluent軟件中，UDF程序如下：

4 物理模型的選擇及求解設(shè)置

根據(jù)錫液流動(dòng)特點(diǎn)，設(shè)置流動(dòng)狀態(tài)為湍流，打開(kāi)k-epsilon(2qn)方程進(jìn)行湍流計(jì)算，打開(kāi)energy能量方程求解熱量傳遞過(guò)程。錫液流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力包含附加壓力，需要打開(kāi)CSF（Continuum Surface Force）連續(xù)表面張力模型，結(jié)合錫液潤(rùn)濕角的設(shè)置，來(lái)體現(xiàn)附加壓力的大小、方向。

邊界及初始條件設(shè)置：其中環(huán)境溫度設(shè)置為25 ℃，PCB板溫度設(shè)置為100 ℃（預(yù)熱后溫度），錫槽錫液溫度設(shè)置為260 ℃，初始化模型混合（Air、Sn）區(qū)域Sn的體積分?jǐn)?shù)為0，模型入口處錫液體積分?jǐn)?shù)為1，以表征板剛開(kāi)始經(jīng)過(guò)錫槽，錫液流向引腳的過(guò)程。計(jì)算中固、液之間的熱量傳遞通過(guò)耦合面進(jìn)行，設(shè)置PCB、引腳表面與混合流體區(qū)域接觸面為耦合面，即在軟件中設(shè)置為Interface面，以自動(dòng)傳遞熱量，而無(wú)需設(shè)置對(duì)流換熱系數(shù)。

在求解參數(shù)的相關(guān)設(shè)置中，首先是在多相流設(shè)置中選擇VOF模型，該模型中勾選Implicit Body Force選項(xiàng)，該選項(xiàng)是針對(duì)體積力的一個(gè)隱式算法，勾選后可以取得較好的求解結(jié)果。另外是針對(duì)VOF模型中體積函數(shù)的求解方式，不同的求解方式影響到界面的構(gòu)造形貌。

5 仿真結(jié)果

針對(duì)設(shè)置后的模型進(jìn)行求解，求解時(shí)間設(shè)置為3 s，較接近于實(shí)際的焊接時(shí)間，經(jīng)計(jì)算獲得全模型的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)求解結(jié)果。圖6所示為流場(chǎng)計(jì)算獲得的氣、液兩相VOF云圖，圖中藍(lán)色部分為錫液區(qū)域，紅色部分為空氣區(qū)域，幾幅圖代表著不同時(shí)刻錫液流經(jīng)引腳的狀態(tài)。從圖中可以看出，錫液從左側(cè)模型入口處流入，液面前沿一致向前推進(jìn)，在推進(jìn)至銅焊盤(pán)處，由于焊盤(pán)的潤(rùn)濕性，使得焊盤(pán)附近錫液面形成彎曲液面，而后受到鉆孔和引腳間毛細(xì)作用而快速的填充鉆孔與引腳間隙，并流動(dòng)至PCB板上側(cè)，由于焊盤(pán)的潤(rùn)濕性以及綠油的阻隔作用，而在元件面的引腳與焊盤(pán)間形成彎月面。隨后繼續(xù)填充模型右側(cè)部分，在引腳脫錫后，受到潤(rùn)濕力形成的附加壓力的作用，錫液殘留在引腳和焊盤(pán)間形成焊點(diǎn)。

圖4 劃分后的網(wǎng)格

表1 仿真計(jì)算所需錫液物性參數(shù)[3-5]

查看固體部分的溫度場(chǎng)解算結(jié)果，如圖7所示，在CFD-POST中可同時(shí)對(duì)固體部分的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，并直觀的查看固體部分溫度分布，從圖中可以看出，由于引腳材料更高的導(dǎo)熱系數(shù)和低熱容值，使得其在短時(shí)間內(nèi)快速升溫至錫液的溫度，而后保持在這樣的溫度值。PCB部分由于其導(dǎo)熱系數(shù)很低，溫度穩(wěn)步的在升高，呈現(xiàn)從板的焊接初始面向焊接終止面逐漸減小的趨勢(shì)。

圖5 關(guān)鍵控制參數(shù)

進(jìn)一步分析t=3 s時(shí)刻PCB部分的溫度分布。PCB部分整體溫度區(qū)間在110-254 ℃之間，其中最高溫分布在通孔的焊接面一側(cè)，最低溫分布在安裝面遠(yuǎn)離通孔區(qū)域，板的焊接面主體溫度相較于安裝面的主體溫度低130 ℃左右。單獨(dú)看PCB安裝面的溫度分布如圖8（b）所示，溫度區(qū)間在110-184 ℃之間，同樣，高溫分布在通孔側(cè)。

圖6 流場(chǎng)計(jì)算的氣、液兩相VOF云圖

圖7 固體部分溫度場(chǎng)

圖8 PCB部分的溫度場(chǎng)

6 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)波峰焊接過(guò)程進(jìn)行研究，運(yùn)用ANSYS/fluent建立了波峰焊接過(guò)程分析模型，求解了THT元件波峰焊流場(chǎng)，得出了以下結(jié)論：

1）首次通過(guò)仿真手段實(shí)現(xiàn)了波峰焊接過(guò)程的模擬，建立了基于VOF、CSF、k-epsilon （2qn）方程和能量方程的THT元件波峰焊接流固耦合分析模型。

2）THT元件波峰焊焊點(diǎn)的形成主要受焊盤(pán)的潤(rùn)濕力、鉆孔和引腳間的毛細(xì)作用力以及附加內(nèi)壓的作用。

3）PCB板溫度在厚度方向呈梯度分布，由焊接面到元件面、孔內(nèi)到孔外逐漸遞減的趨勢(shì)，與實(shí)際情況一致。

4）波峰焊接過(guò)程仿真模型的建立，標(biāo)志著波峰焊數(shù)字化研究時(shí)代的到來(lái)。