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1、10申请公布号CN103345539A43申请公布日20131009CN103345539ACN103345539A21申请号201310202133222申请日20130528G06F17/5020060171申请人中国电子科技集团公司第十研究所地址610036四川省成都市金牛区营康西路85号72发明人刘正伟黄红艳74专利代理机构成飞集团公司专利中心51121代理人郭纯武54发明名称再流焊加载曲线参数的设置方法57摘要本发明公开的一种再流焊接加载曲线参数的设置方法，旨在提供一种可靠性更高，使温度循环可靠性分析与再流焊加载曲线参数联系起来，得到可靠性更优的再流焊加载曲线参数设置方法。本发明通过。
2、下述技术方案予以实现在每个工艺参数取值范围内等间距取四个值作为水平数，建立水平正交实验设计表；应用通用有限元软件ANSYS建立再流焊工艺模型并对再流焊工艺模型进行求解，得到PCBA的温度分布和残余应力；应用极差分析方法，判断焊接工艺参数对各焊接工艺指标影响程度，确定焊接工艺指标计算结果满足在JB/T焊接规范推荐范围内的焊接工艺组合；应用极差分析方法，判断焊点应力最大的关键区域的应力应变影响程度，确定符合指标的试验，获取可靠性最高的焊接工艺参数。51INTCL权利要求书2页说明书9页附图1页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书9页附图1页10申请公布号CN1033。
3、45539ACN103345539A1/2页21一种再流焊加载曲线参数的设置方法，其特征在于包括如下步骤1）基于再流焊焊接工艺，选取再流焊焊接工艺参数，在每个工艺参数取值范围内等间距取四个值作为水平数，建立水平正交实验设计表；基于热传递及热结构耦合理论，根据PCBA的几何尺寸及材料定义，应用通用有限元软件ANSYS建立再流焊工艺模型并对再流焊工艺模型进行求解，得到PCBA的温度分布和残余应力；2）根据JB/T焊接规范选取焊接工艺评价指标，应用极差分析方法，判断焊接工艺参数对各焊接工艺指标影响程度，确定焊接工艺指标计算结果满足在JB/T焊接规范推荐范围内的焊接工艺组合；3）基于ANAND粘塑性本。
4、构模型，通用有限元软件ANSYS建立PCBA的温度循环模型并求解，得到应力应变，再应用极差分析方法，判断焊接工艺参数对焊点应力最大的关键区域的应力应变影响程度，并以焊点应力小于其屈服强度为指标，确定符合指标的试验，然后以关键区域最大应力最小为目标，确定满足强度指标的焊接工艺组合，获取可靠性最高的焊接工艺参数。2如权利要求1所述的再流焊加载曲线参数的设置方法，其特征在于，所述的工艺参数包括，再流焊炉的传送带速度、PCBA的预热温度、PCBA的保温温度、焊料的再流温度和再流焊炉的热风速度。3如权利要求1所述的再流焊加载曲线参数的设置方法，其特征在于，水平正交试验表的每一行均表示一个焊接工艺组合得到。
5、由各个工艺参数不同水平组合成的不同焊接工艺组合。4如权利要求1所述的再流焊加载曲线参数的设置方法，其特征在于，采用由ANAND提出的ANAND粘塑性本构模型描述焊料的变形行为CS其中，C为材料参数；S为内部状态变量，P为非弹性应变速率，A为常数，Q为激活能，M为应变率敏感指数，为应力乘子；R为气体常数，T为绝对温度，H0为硬化/软化常数，S为给定温度和应变率时内部变量的饱和值，为系数，N为指数。5如权利要求1所述的再流焊加载曲线参数的设置方法，其特征在于，关键区域为PCBA上焊点应力最大的区域。6如权利要求1所述的再流焊加载曲线参数的设置方法，其特征在于，焊接工艺参数对各焊接工艺指标影响程度判。
6、据权利要求书CN103345539A2/2页3其中；RI为正交表中第I列因素的极差为在XI因素下，水平数为J所对应的K的值，K0，1，2，3，4分别表示PCBA的升温速率、PCBA的最高温度、PCBA的保温区温差、焊料的液相线以上时间及PCBA的降温速率。7如权利要求1所述的再流焊加载曲线参数的设置方法，其特征在于，采用ANAND粘塑性本构模型描述焊料的变形行为一CS其中，C为材料参数；S为内部状态变量；P为非弹性应变速率；A为常数；Q为激活能；M为应变率敏感指数；为应力乘子；R为气体常数；T为绝对温度；H0为硬化/软化常数；S为给定温度和应变率时内部变量的饱和值；为系数；N为指数。8如权利要。
7、求1所述的再流焊加载曲线参数的设置方法，其特征在于，焊接工艺参数分别为传送速度950MM/MIN，预热温度150，保温温度170，再流温度260和热风速度3M/S。权利要求书CN103345539A1/9页4再流焊加载曲线参数的设置方法技术领域0001本发明涉及微电子组装再流焊加载曲线参数的设置方法。背景技术0002随着集成电路产业的飞速发展，高集成度、高可靠性已经成为行业的新潮流。在这种趋势的推动下，表面组装技术（SURFACEMOUNTTECHNOLOGY）在得到了进一步的推广和发展。很多公司在生产和研发中已经大量应用了SMT工艺和表面贴装元器件。在SMT工艺中再流焊接是核心工艺，因为印制。
8、电路板（PCB，PRINTEDCIRCUITBOARD）设计和温度曲线设置的是否合理，最终都将以不良焊接的形式集中表现在焊接中。由于温度曲线设置问题而导致的不良焊接，将在温度循环适应性研究中降低器件焊点寿命，从而影响产品在服役过程中的使用寿命。因此，研究再流焊温度曲线的设置对器件在温度循环中的适应性尤其显得重要。0003焊接起到使元器件与PCB之间建立可靠的电气和机械连接的作用，其在整个表面组装工艺中占有重要地位，而且也是影响表面组装产品可靠性的重要环节。随着电子组装的小型化，高密度化以及无铅化的发展，在整个组装工艺技术中，焊接技术受到了越来越高的挑战，如果对焊接工艺控制不当，势必将产生一些缺。
9、陷，归纳起来主要有冷焊、立碑、偏移、桥接、空洞、芯吸、锡珠、开裂等相关缺陷，给产品的电气和机械可靠性带来严重影响。0004再流焊亦称回流焊，它是预先在PCB焊接部位（焊盘）施放适量和适当形式的焊料，然后贴放表面组装元器件，经固化后，再利用外部热源使焊料再次流动达到焊接目的的一种成组或逐点焊接工艺。再流焊接技术能完全满足各类表面组装元器件对焊接的要求，因为它能根据不同的加热方法使焊料再流，实现可靠的连接。再流焊按照加热方法分类主要分为红外再流焊，热板加热再流焊，热风炉再流焊，红外热风再流焊等。0005在SMT生产流程中，再流焊参数设置的好坏是影响焊接质量的关键，通过温度曲线仿真研究，可以为再流焊。
10、参数的设置提供准确的理论依据。在大多数情况下，温度的分布受组装电路板的特性、焊膏的特性和所用再流焊回流能力等诸多方面的影响。因此，再流焊的温度曲线必须综合考虑焊膏、完全装配过的电路板和设备等因素,良好的温度曲线必须经过反复试验才能获得较为满意的结果。为充分理解曲线的各阶段对焊膏成分的影响,将曲线分成这样四段预热阶段、保温阶段、回流（焊接）阶段和冷却阶段。0006预热段该段的目的是把室温下的PCB组件尽快加热,但过快的升温速率会令板子或零件损坏。对大多数的助焊剂，在此阶段不会迅速地挥发,因为它们有足够高的沸点来防止焊膏在印刷过程中变干。通常零件制造商会推荐加热速率的极限值，一般都规定一个最大的值。
11、4/S以防止升温过快产生的热应力造成的零件损坏。而温度上升太慢,助焊剂挥发，使锡膏不能实现良好润湿。生产实践证明，通常的加热速率一般设定为13/S。0007保温区保温区的主要目的是保证电路板上的全部元件在进入回流段之前达到相同的温度。电路板上的元件吸热能力通常有很大差别，为减小元件之间的温差，有时需要延长保温周期。但是太长的保温周期可能导致助焊剂过度蒸发，无法达到润湿的作用，从而引说明书CN103345539A2/9页5起引脚与焊盘的氧化，减弱焊膏的上锡能力。太快的温度上升速率则会导致溶剂的快速气化，可能会引起锡珠，空洞等缺陷,而过短的活性周期又无法使活性剂充分发挥功效，也可能造成整个电路板预。
12、热温度的不平衡，从而导致不沾锡、焊后断开、焊点空洞等缺陷，所以应根据电路板的设计情况及再流焊的对流加热能力来决定活性周期的长短及温度值。0008一般保温阶段的温度在80160之间（对有铅焊接而言），上升速率低于每秒2，并在150左右有一个30秒60秒左右的平台，有助于把焊接段的尖端区域降低到最小。0009回流阶段曲线的这一阶段是把板子温度带入焊膏溶点之上，目的是为了让锡粉微粒结合成一个锡球并让被焊金属表面充分润湿沾锡。结合与润湿沾锡的过程是在焊膏中助焊剂的辅助下完成。如前所述，更高的温度会提高助焊剂的有效活性,但同时也会加速二次氧化的过程。焊锡合金的黏性与表面张力却会随温度上升而减小，这将有助。
13、于润湿沾锡速度的快速提高。因此，在焊锡合金熔点之上，就存在一个用于理想再流焊的峰值温度与时间的最佳组合。0010一般应使曲线的尖端区覆盖面积最小。曲线的峰值一般为210230,达到峰值温度的持续时间为3秒5秒，超过铅锡合金熔点温度183的持续时间维持在50秒90秒之间。需要注意的是，理想的焊接区在板子上每个焊点处都应是相同的。要达到这个要求,重要的一点是让板子的每一个部分在进入该区时具有相同的温度，这也说明了保温区的必要性。0011冷却阶段这一段焊膏中的铅锡粉末已经熔化并充分润湿到焊接表面,快速度的冷却会得到明亮的焊点并有好的外形及低的接触角度,但冷却速度过快也将导致元件与基板间太高的温度梯度。
14、,产生热膨胀的不匹配,导致焊点与焊盘的分裂及基板变形缓慢冷却会使板材溶于焊锡中,而生成灰暗和毛糙的焊点,并可能引起沾锡不良和减弱焊点结合力。综合以上因素,冷却区降温速率一般在4/秒,冷却至75以下即可。0012影响PCB组件温度分布的因素有很多，比如有焊炉的结构、温区的设置、PCB组件上的器件分布以及器件类型等。总的说来影响PCB组件温度分布的因素可分为内部和外部两种因素。0013内部因素包括元器件类型和尺寸、引脚类型和尺寸、芯片类型和尺寸、热阻及热流密度等、芯片与基板间连接方法、器件与PCB板件的连接方法以及所用材料的尺寸和热性质、封装材料的尺寸和热性质、基板的材料和尺寸、焊膏材料的尺寸和热。
15、性质等。0014外部因素包括焊接方式、温区设置、传送带速度、热风速度、氮气浓度、对流系数、辐射率、器件排布与表面辐射等。0015对再流焊焊接工艺仿真的研究，多是集中在再流焊加载曲线参数设置对板级组装温度分布的影响，从再流焊接后板级组装的温度分布来预测再流焊时可能出现的焊接问题；而对板级组装温度循环可靠性的分析，多是建立板级组装的理想焊点模型，忽略再流焊之后电路板存在的应力分布对板级组装可靠性的影响，其结果可能产生较大的误差甚至错误的结果。发明内容0016本发明的目的针对现有技术的不足之处，提供一种可靠性更高，使温度循环可靠说明书CN103345539A3/9页6性分析与再流焊加载曲线参数联系起。
16、来，得到可靠性更优的再流焊加载曲线参数设置方法。0017本发明提出的再流焊加载曲线参数的设置方法，其特征在于包括如下步骤00181）基于再流焊焊接工艺，选取再流焊焊接工艺参数，在每个工艺参数取值范围内等间距取四个值作为水平数，建立水平正交实验设计表；基于热传递及热结构耦合理论，根据PCBA的几何尺寸及材料定义，应用通用有限元软件ANSYS建立再流焊工艺模型并对再流焊工艺模型进行求解，得到PCBA的温度分布和残余应力；00192）根据JB/T焊接规范选取焊接工艺评价指标，应用极差分析方法，判断焊接工艺参数对各焊接工艺指标影响程度，确定焊接工艺指标计算结果满足在JB/T焊接规范推荐范围内的焊接工艺。
17、组合；00203）基于ANAND粘塑性本构模型，通用有限元软件ANSYS建立PCBA的温度循环模型并求解，得到应力应变，再应用极差分析方法，判断焊接工艺参数对焊点应力最大的关键区域的应力应变影响程度，并以焊点应力小于其屈服强度为指标，确定符合指标的试验，然后以关键区域最大应力最小为目标，确定满足强度指标的焊接工艺组合，获取可靠性最高的焊接工艺参数。0021本发明相比于现有技术具有如下有益效果0022本发明根据再流焊焊接工艺，选取其参数；运用正交实验的原理，得到不同的焊接工艺；基于热传递及热结构耦合理论，对再流焊焊接工艺进行仿真；根据JB/T焊接规范，选取焊接工艺指标；应用极差分析方法判据焊接工。
18、艺参数对各焊接工艺指标影响程度；评价出焊接工艺指标计算结果满足JB/T推荐范围内的试验；应用极差分析方法判断焊接工艺参数对关键区域应力应变影响程度；以焊点屈服强度为指标，确定符合指标的试验；以关键区域最大应力最小为目标，选取试验组合，得到可靠性最高的焊接工艺参数。该完整的流程形成了一种新的再流焊加载曲线参数设置方法，使温度循环可靠性分析与再流焊加载曲线参数联系起来。该再流焊温度曲线参数设置方法，考虑了PCBA焊接后的温度循环载荷因素，使焊接后PCBA的可靠性更高，而现有方法未考虑该因素。附图说明0023下面对照附图对本发明作详细说明。0024图1本发明再流焊加载曲线参数设置方法的流程示意图。具。
19、体实施方式0025参阅图1。在以下描述的实施例中，再流焊焊接工艺是通过重新熔化预先分配到印制板焊盘上的焊膏，实现表面组装元器件焊端或引脚与印制板焊盘之间机械与电气的连接。根据再流焊焊接工艺，选取工艺参数，参数为再流焊炉的传送带速度、PCBA的预热温度、PCBA的保温温度、焊料的再流温度和再流焊炉的热风速度。基于温度循环可靠性分析的再流焊加载曲线参数的设置方法，可按如下步骤进行00261）再流焊焊接工艺仿真根据再流焊焊接工艺，参考中国电子行业标准以及电子行业互联协会IPC9502标准，选取再流焊炉的传送带20200CM/MIN速度、印制电路板组件PRINTEDCIRCUITBOARDASSEMB。
20、LY，PCBA150180的预热温度、230260焊料的再流温说明书CN103345539A4/9页7度和再流焊炉25M/S的热风速度为再流焊焊接工艺参数；根据再流焊炉及机械部推荐标准JB/T焊接规范推荐的工艺参数取值范围，结合文献12011闵亚能北京机械工业出版社,实验设计（DOE）应用指南M中的均匀实验设计法，每个工艺参数取值范围内等间距取四个值作为水平数，安排工艺参数水平，运用正交实验的原理，根据上述工艺参数及各参数水平，建立水平正交实验设计表，水平正交试验表的每一行均表示一个焊接工艺组合得到由各个工艺参数不同水平组合成的不同焊接工艺组合。正交实验原理的基本思想是利用正交表来安排与分析多。
21、因素试验的一种设计方法。它是由试验因素的全部水平组合中，挑选部分有代表性的水平组合进行试验的，通过对这部分试验结果的分析了解全面试验的情况，找出最优的水平组合。运用正交实验原理，可以得到由各个工艺参数不同水平组合成的不同焊接工艺组合。基于热传递及热结构耦合理论（详见步骤1），根据PCBA的几何尺寸及材料定义，应用美国ANSYS公司开发的通用有限元软件ANSYS建立再流焊工艺模型并对再流焊工艺模型进行求解，得到PCBA的温度分布和残余应力（即初应力）。热传递包括热对流、热辐射和热传导。热结构耦合的基本含义是某些特定结构在热传递作用下其结构形态会发生变化，而结构形态的变化又会影响热传递作用的条件，。
22、二者互相影响，不能独立的研究某一方面而对整体进行分析。00272）确定满足焊接工艺指标的焊接工艺组合根据JB/T焊接规范选取PCBA预热温度热风速度；保温区与再流区温度设置对升温速率基本没有影响；00752）对保温区温差而言，各因素对其影响的重要程度依次是保温温度预热温度传送速度热风速度；回流温度设置对保温区温差基本没有影响；00763）对最高温度而言，各因素对其影响的重要程度依次是再流温度传送速度热风速度；其他因素对峰值温度的影响不大；00774）对液相线以上时间而言，各因素对其影响的重要程度依次是再流温度传送速度热风速度预热温度保温温度；00785）对降温速率而言，在冷却区温度设置一定的情。
23、况下，各因素对其影响的重要程度依次是热风速度传送速度；其他因素对降温速率的影响不大。0079EJB/T标准推荐的各焊接工艺指标范围分别为升温速率1225/S；保温温度015；最高温度235240；液相线以上时间090S；降温速率热风速度保温温度再流温度预热温度；00932）对应力的影响的重要程度依次是传送速度热风速度再流温度预热温度保温温度。0094J以最大应力最小为目标，得出可靠性最优的试验为试验号9，其焊接工艺参数分别为传送速度950MM/MIN，预热温度150，保温温度170，再流温度260和热风速度3M/S。0095参考文献00961闵亚能实验设计（DOE）应用指南M北京机械工业出版社,201100972马蜂时基于MINITAB的现代实用统计G北京中国人民大学出版社,2009。说明书CN103345539A121/1页13图1说明书附图CN103345539A13。