面向回流焊工藝過程質量控制的溫度場仿真技術研究

侯文靜 何 非 胡子翔

（①南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094；②中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

隨著電子產品向小型化、集成化和智能化方向的發展，表面貼裝技術（surface mounting technology，SMT）作為電子產品中重要的組成部分已被廣泛地應用于國民經濟和社會發展的各個領域。在SMT 回流焊制造過程中，溫度曲線的監控和控制既是關鍵的環節，也是保證產品質量、縮短制造周期的重要因素[1]。

近年來，人們開始利用計算機模擬技術研究回流焊接過程。李娜等[2]和Esfandyari A 等[3]建立了回流焊接過程仿真模型，合理預測了被焊物體的溫度分布。郭瑜等[4]對回流焊工藝溫度場進行分析，有效預測了焊膏溫度曲線。王亞盛[5]提出了預熱、恒溫、回流和冷卻4 個階段中回流焊溫度設置和控制的要點，為制定出更加有效、完善的溫度曲線提供了參考。溫桂琛等[6]和朱桂兵等[7]指出，焊膏材料、峰值溫度、熔點以上駐留時間、升溫速率及冷卻速率是分析回流溫度曲線的重要指標。

綜合文獻[2-7]，國內外已有一些回流焊溫度場的仿真模擬研究，但多集中于回流焊工藝參數的設定和被焊物體的溫度分布預測，對溫度曲線和焊后質量的深入探究較為缺乏。此外，現有研究往往使用復雜的整個回流爐結構模型，導致網格數量龐大，計算時間較長?；诖?，為提高回流焊制程的效率和質量，本研究以某印刷電路板（printed circuit board，PCB）組件為例，在分析不同溫度下對流換熱影響的基礎上，運用Ansys Icepak 軟件建立單溫區爐腔簡化模型，采用試驗研究與數值模擬相結合的方法，模擬計算回流焊接后的溫度場分布，研究不同工藝參數下爐內溫區溫度和傳送帶鏈速對PCB 組件回流溫度的影響，為實現回流焊工藝過程的快速質量控制提供理論基礎。

1 仿真模型建立

1.1 回流焊工藝流程分析

1.1.1 工藝流程

回流焊是一種常見的電子組裝技術，其基本流程包括以下步驟：首先，利用絲網印刷技術在PCB 焊盤上涂覆適量的焊膏；然后，將表面貼裝元器件放置在焊膏上；最后，在外部熱源的作用下，焊膏熔化并再次流動，形成金屬間化合物（intermetallic compound，IMC），從而實現可靠的焊接[8]。

1.1.2 工藝參數

合理設定回流爐的工藝參數是回流焊過程中至關重要的步驟。爐內溫區溫度和傳送帶鏈速都是影響焊接質量和生產效率的關鍵因素。一般而言，預熱區溫度通常應維持在150 ℃左右，恒溫區溫度控制在130～160 ℃，回流區的峰值溫度應高出焊膏的正常熔點25～30 ℃，冷卻區溫度則一般保持在25 ℃；而傳送帶鏈速應保持在65～75 cm/min。

1.1.3 回流溫度曲線

回流溫度曲線是指在回流焊過程中，PCB 組件上某點溫度隨時間變化的曲線?；亓骱高^程中常常會出現濺錫、塌陷、空洞、立碑、短路等缺陷[9-10]，引發這些缺陷的主要原因是回流溫度曲線的設置不合理，合理調整回流溫度曲線可以避免此類缺陷的發生?；亓鳒囟惹€直接反映了PCB 組件在回流焊中的溫度變化情況。一條合理的回流溫度曲線可以避免超高溫對元器件造成損壞、過低溫度導致不良焊接以及溫度分布不均造成熱應力集中等問題，提高焊接質量，確保PCB 組件的可靠性。

1.2 回流焊傳熱學機理分析

回流焊傳熱學機理涉及傳熱的基本規律、傳熱模型和傳熱參數等方面。研究傳熱學機理需要考慮焊接過程中的熱源、熱傳輸介質、傳遞方式和物理特性等因素。準確描述傳熱行為可以深入了解回流焊過程中的傳熱現象，有效預測焊接溫度分布，進而用于指導工藝參數優化，改善焊接質量，提高電路板的可靠性。

1.2.1 PCB 組件吸熱

PCB 組件在回流焊過程中吸收的熱量[11]如下：

式中：Qa為PCB 組件吸收總熱量；m為PCB 組件質量；cp為PCB 組件質量定壓熱容；T(t)為PCB 組件最終溫度；T(i)為PCB 組件初始溫度。

1.2.2 回流爐傳熱

PCB 組件在回流爐內，與熱空氣通過熱對流發生熱量交換，與回流爐壁通過熱輻射發生熱量交換，組件內部通過熱傳導發生熱量傳遞。由于PCB 組件只從傳送導軌上通過熱傳導吸收相對較少的熱量，故熱傳導過程可忽略不計。熱對流、熱輻射過程分別由牛頓冷卻式（2）[12]和式（3）[12]表示。

式中：Qc為對流熱傳遞量；hc為對流換熱系數；A為PCB 組件的表面積；T1為爐內空氣溫度；T0為PCB 組件溫度。

式中：Qr為輻射熱傳遞量；ε 為輻射率；σ為黑體輻射常數，又名斯忒藩-玻耳茲曼常數，其值為5.67×10-8W/(m2· ℃)；T2為回流爐壁面溫度，近似為爐內空氣溫度。

1.2.3 PCB 組件非線性瞬態傳熱

瞬態傳熱分析中，載荷會隨時間發生變化。由于考慮輻射傳熱，且輻射熱傳遞量與溫差四次方成正比，是非線性的邊界條件，故為非線性傳熱。在回流焊過程中，回流爐向PCB 組件傳遞總熱量為

單位時間焊接過程中：

由式（1）～式（5）得：

對于瞬態傳熱[11]：

式 中：ρ為PCB 組件平均密度；V=2LA，L為PCB板厚度。

轉化為積分式[11]：

選擇合適的時間增量 ?t可通過式（8）右側做數值計算來確定PCB 組件在t=?t,2?t,3?t,···時刻的溫度。在進行新一步求解時，T采用上一個時間步求得的溫度值。

1.3 基于傳熱學機理的回流焊溫度場建模

1.3.1 模型的簡化

回流焊的質量與其內部結構和溫度場分布密切相關，傳統的回流焊仿真建模通常需要考慮復雜的內部結構，包括加熱區、冷卻區、間隔區和傳送帶等，對求解速度和計算資源提出了較高的要求，限制了模型在工程上的應用。因此，本研究提出一種創新性的簡化建模方法，將回流爐的復雜結構簡化為一個單一溫區的腔體模型，保留爐溫曲線中必要的加熱溫區和鏈速條件，從而在不影響模擬精度的前提下，既可顯著降低建模難度和計算時間，又可滿足實際的應用要求。

圖1 所示為回流爐的模型簡化方法。該方法具有可移植性和可擴展性，能夠根據實際情況添加新的工藝參數，適用于類似工藝的溫度場仿真建模。通過借鑒簡化模型與完整模型之間的轉化方法，可以提高模型求解效率并保證模型的準確性。

圖1 回流爐仿真模型

1.3.2 對流換熱系數的確定

對流換熱系數是一個物理量，用于衡量通過對流方式傳遞熱量的強弱程度，數值越大則傳熱能力越強。對流換熱系數取決于流體性質、流動速度和界面特性等因素。在實際應用中，對流換熱系數的大小對于評估和優化熱傳遞過程至關重要。

已有研究結果表明，自然對流的換熱系數一般在1～10 W/(m2· ℃)[13]。對于有氣體交換的對流換熱[13]，計算如下：

式中：hc為對流換熱系數；D為噴孔直徑；λ0為氣體運動黏滯系數；H為噴嘴到沖擊表面的距離；為滯止區半徑；ReD為雷諾數；Pr為普朗特數。

式（9）中，雷諾數表達式[13]為

式中：u為空氣沖擊速度；v為空氣流體黏度。

2 仿真模型應用驗證

2.1 回流焊單溫區爐腔模型建立

以十溫區回流爐為例，爐總長L總=4 650 mm，單溫區長度L1-10=350 mm，高度H=200 mm，寬度W=350 mm，噴孔直徑D=10 mm，噴孔間距S=50 mm，爐腔上下具有相同的噴孔分布。建立的仿真模型如圖1 所示。

2.2 PCB 組件模型建立

以圖2a 所示的某視頻開發板為研究對象，由于PCB 板上布線復雜且元器件眾多，故對整個組件做簡化處理。保留PCB 板上較大的元器件，對A1～A4 這4 個典型元器件詳細建模，其余較大元器件使用長方體塑封材料進行替代，以最終得到圖2b所示的模型。其余小型元器件對整個PCB 板的溫度影響較小，可忽略不計。

圖2 PCB 組件仿真模型

PCB 組件材料參數見表1。其中，塑封材料和BT 基板為元器件主要材料，Cu 和FR-4 為PCB 主要材料，SAC305 為焊球焊膏材料。

表1 材料參數[13]

2.3 邊界條件設定

2.3.1 對流換熱系數

文中所用十溫區回流爐為空氣加熱的熱風回流爐。焊接過程中，被焊物體通過上下爐壁噴孔吹風，圖1a 中實線箭頭表示加熱區吹風方向，虛線箭頭表示冷卻區吹風方向，上風速為2 m/s，下風速為1.5 m/s。結合回流焊傳熱學機理分析，仿真模型僅對熱對流作出詳細計算，熱輻射在Ansys Icepak 仿真求解中開啟默認設置即可，熱傳導暫不考慮。

圖3 所示為噴孔射流沖擊流場示意圖。其中，H為98.5 mm；r取兩個噴嘴間距離的一半，為25 mm。

圖3 噴孔射流沖擊流場示意圖[14]

依據回流爐結構參數，結合大氣壓力下干空氣熱物理性質，代入式（9）計算獲得回流爐內不同溫度下PCB 組件表面的對流換熱系數，見表2。由表2 可知，溫度在20～300 ℃，對流換熱系數的值變化不大，故將各溫區對流換熱系數統一取值為43 W/(m2·℃)。

表2 爐內對流換熱系數

PCB 組件在進爐前和過爐后時無噴嘴吹風，其換熱形式可視為自然對流，取對流換熱系數為10 W/(m2·℃)[13]。

2.3.2 對流換熱系數回流爐參數

為驗證仿真模型的準確性，參考SJ/T 11216—1999 紅外/熱風再流焊接技術要求[15]，結合回流焊工藝參數，建立3 組溫度場數值模型，見表3。

表3 回流爐參數設定

3 仿真結果及試驗驗證分析

針對表3 三組工藝參數進行數值計算。提取組件上A1～A4 典型器件中心位置、基板中心位置及PCB 核心板中心位置的回流溫度，共計6 個監測點，分別編號為Test_1～Test_6，監測點位置如圖2b所示。

3.1 不同時刻溫度場分布云圖

以第1 組工藝參數為例，PCB 組件回流焊過程中不同時刻溫度場分布云圖如圖4 所示。預熱升溫階段，由于芯片通常由材料較薄且熱導率較高的半導體材料組成，其熱導率高于核心板，導致芯片中的熱量傳導速度較快，使得元器件溫度高于核心板溫度?；亓麟A段，PCB 組件受到回流爐短時間內高溫加熱的影響，熱風向PCB 組件快速傳遞熱能，導致整個PCB 組件的溫度迅速上升。然而，由于芯片的溫度響應較快，故核心板溫度略低于但接近元器件溫度。進入冷卻階段后，熱對流效應減弱。由于芯片具有較小的熱容量和表面積，因此在相同的冷卻條件下，芯片的散熱速度更快，熱量逐漸從溫度較高的元器件傳遞至核心板中心位置，使得核心板溫度高于元器件溫度。

圖4 預熱、回流及冷卻階段溫度場分布圖

3.2 仿真結果分析

由于回流溫度的控制是回流焊工藝的主要表現形式，以工藝參數組A 為例，采用預熱升溫速率、冷卻降溫速率、回流時間和峰值溫度4 個質量指標對回流溫度曲線進行評估，評估結果見表4。

表4 監測點質量指標計算

固態技術協會（joint electron device engineering council，JEDEC）、SJ/T 11216—1999 標準[15]指出，預熱升溫速率即溫度從室溫25 ℃開始逐步加熱至150 ℃的速率，通?？刂圃? ℃/s 以下，以免焊錫膏飛濺和元器件熱應力損傷；冷卻降溫速率一般為1～3 ℃/s，冷卻至75 ℃以下即可，既避免降溫過快引起元器件內部的溫度應力，又防止降溫過緩引起焊盤中過多分解物進入焊錫導致焊點質量不良；回流時間一般為60～80 s，最長不超過90 s，以免形成惡性金屬間化合物，使焊點變脆；峰值溫度視所用焊膏的不同而不同。對于熔點為217 ℃的SAC-305 焊膏，最高峰值溫度一般為230～250 ℃。表4計算結果表明各監測點質量指標值均符合JEDEC、SJ/T 11216—1999 標準。

3.3 試驗驗證

3.3.1 爐溫測試試驗

全面了解工藝過程并采取測量手段是確保工藝過程實現良好質量控制的重要方法。溫度曲線測試儀可以全面監控焊接過程中的溫度變化，精確測量回流焊工藝制程中上升斜率、峰值溫度、潤濕時間及平均溫度等重要特性，從而更加精確地控制產品質量，提高工作效率，以達到降低產品成本的目的。

試驗使用十溫區回流爐和六通道溫度曲線測試儀，試驗裝置如圖5 所示。依據仿真模型在PCB組件表面的不同位置設置特征點，特征位置如圖2a所示。為保證試驗數據不產生較大的波動，PCB 組件模型固定測溫點后，在測溫情況穩定時，基本不進行調整更換其他測試點。

圖5 試驗裝置

爐溫測試試驗的測溫過程如下：

（1）將測溫板上的熱電偶依次插入測試儀的插孔內。

（2）爐溫設定后，待回流爐綠燈正常亮起后，將PCB 組件模型及測試儀一并送入回流爐中，打開測試儀的電源和記錄數據開關。

（3）測試完成后，在出板端取出測試儀。

（4）在電腦端讀出溫度曲線，檢查曲線是否在合理的制程范圍內。若曲線不符合制程界限，則需要繼續調試各溫區溫度，直至測量出符合要求的溫度曲線。

以工藝參數組A 為例，PCB 組件仿真及實測溫度曲線對比如圖6 所示。結果顯示，試驗測得的特征點溫度曲線與仿真計算曲線相比吻合度良好，特征點1～6 的非線性曲線擬合度R2分別為0.87、0.85、0.83、0.86、0.84、0.92、0.94（R2越接近1，擬合度越好）。計算得3 組工藝參數下試驗與仿真質量指標均符合JEDEC、SJ/T 11216—1999 標準[15]，誤差值控制在5%以內。由此可說明本仿真模型構建基本準確，能夠用于指導回流焊過程工藝參數的設計。

3.3.2 回流焊工藝質量評估

為進一步研究回流焊工藝的質量可靠性，現從峰值溫度和溫度變換率兩方面對PCB 組件仿真及實測溫度曲線做出評估。

（1）峰值溫度

基于工藝要求、產品規范及IPC-J-STD-020 非氣密固態表面貼裝器件的潮濕/再流焊敏感度分類，無鉛回流焊峰值溫度通?？刂圃?35～250 ℃。表5 呈現了不同工藝參數下各監測點的峰值溫度數據。

表5 PCB 組件仿真及實測峰值溫度

工藝參數組A 下，各個監測點的峰值溫度均在目標范圍內，并且仿真與實測數據的均方根誤差（root mean square error，RMSE）值較小，表明工藝參數組A 能夠實現峰值溫度的良好控制，符合回流焊的質量要求。

工藝參數組B 下，數據顯示Test_6 的實測峰值溫度略低于目標范圍下限，且對應的RMSE 值稍大，表明工藝參數組B 在峰值溫度控制方面存在一定的偏差或不穩定性。

工藝參數組C 下，Test_1 等一些監測點的峰值溫度明顯高于目標范圍上限，仿真與實測數據的RSME 值較大。這表明工藝參數組C 的峰值溫度控制存在較大差異，可能會因溫度過高造成焊點失效。

綜上，工藝參數組A 在峰值溫度方面有較好的回流焊質量控制表現。

（2）溫度變化率

由于無鉛回流焊工藝窗口小，為使整個PCB組件溫度均勻，減小PCB 板與大小元器件的溫差，無鉛焊接需要緩慢升溫和預熱。由于回流區峰值溫度高，為防止因焊點冷卻凝固時間過長，造成焊點結晶顆粒長大[9]，通常需要快速冷卻；同時降溫速率也不宜過快，以免損壞元器件，控制降溫速率在2～3 ℃/s。

圖7 所示為不同工藝參數下各監測點的仿真及實測溫度變化率，結果顯示：三組工藝參數的溫度變化率趨勢基本一致。在預熱階段，工藝參數組B相對于工藝參數A 組和工藝參數組C 表現出更慢的升溫速率；而在冷卻階段，工藝參數組A 相對于工藝參數組B 和工藝參數組C 表現出更快的降溫速率。仿真及實測預熱升溫速率控制在3 ℃/s 以內，最大誤差值為2.51%；冷卻降溫速率在2～3 ℃/s 范圍內，最大誤差值為2.16%。

圖7 PCB 組件仿真及實測溫度變化率

為進一步判斷三組工藝參數下預熱升溫速率和冷卻降溫速率的差異是否顯著，采用方差分析進行比較。分析結果顯示，P降溫=0.007<0.05，P升溫=0.25>0.05，這表明工藝參數對于冷卻降溫速率的影響顯著，而對于預熱升溫速率的影響不顯著。因此，工藝參數組A 可以被視為在溫度變化率分析下的最佳工藝參數。

爐溫測試試驗及回流焊質量評估結果表明：

（1）工藝參數組A、B、C 下各監測點的預熱升溫速率、冷卻降溫速率及峰值溫度均滿足JEDEC和SJ/T 11216—1999 標準[15]，試驗數據和仿真數據之間的差異較小，模型具有較高的擬合能力和預測準確性，由此驗證了模型簡化與對流換熱處理方法的正確性。

（2）工藝參數組A 能夠獲得更優的峰值溫度和溫度變化率，進而獲得更優的焊接質量。其溫區溫度和傳送帶鏈速可作為無鉛回流焊工藝參數設置的參考。工藝參數組A 中任一監測點回流溫度曲線均可直接用于回流焊工藝結構場的研究，進而觀察焊點形態變化，求得應力及疲勞壽命值，找到易失效焊點等。

4 結語

（1）建立了一種簡化的單溫區爐腔有限元仿真模型，綜合考慮了回流焊工藝不同溫度條件下的對流換熱系數。

（2）利用建立的仿真模型，模擬了不同工藝參數下被焊物體的溫度分布云圖，得到了PCB 組件上典型元器件特定點的回流溫度。參考JEDEC、SJ/T 11216—1999 標準[15]對回流溫度進行評估，結果顯示各監測點質量指標值均符合標準。

（3）搭建了爐溫測試試驗平臺，實測溫度曲線與仿真溫度曲線吻合較好，試驗質量指標值與仿真質量指標值誤差較小，表明仿真模型能夠準確預測被焊物體的回流溫度，驗證了提出的回流焊工藝過程質量控制方法及該方法在實際應用中的有效性和可借鑒性。

（4）找到了一組無鉛回流焊工藝參數和多條回流焊溫度曲線，用于指導生產過程。