一种电子元器件表面贴装工艺热应力损伤仿真方法技术

本发明专利技术涉及一种电子元器件表面贴装工艺热应力损伤仿真方法，包含以下步骤：步骤一：表面贴装工艺流程分析；步骤二：严酷度、发生度及检测度选取；步骤三：表面贴装工艺过程PFMECA分析；步骤四：焊点形态模型理论推导；步骤五：仿真实体模型建立；步骤六：表面贴装工艺热应力有限元仿真；步骤七：仿真结果分析与热应力损伤识别。本发明专利技术以经历表面贴装工艺过程的产品为研究对象，建立电子元器件焊点处及板级处的相关模型，探究由工艺过程引入热应力的来源，找出表面贴装工艺热应力损伤的原因，总结得出电子元器件表面贴装工艺热应力仿真分析的方法。此方法属于电子元器件表面贴装工艺热应力损伤仿真技术领域。

A simulation method of thermal stress damage in surface mounting process of electronic components

【技术实现步骤摘要】
一种电子元器件表面贴装工艺热应力损伤仿真方法(一)
：本专利技术涉及一种电子元器件表面贴装工艺热应力损伤仿真方法，它以表面贴装工艺过程为研究对象，分析了表面贴装工艺过程中应力的产生来源及相应的解决措施，利用PFMECA分析方法，对表面贴装工艺过程做以研究，分析出对工艺热应力的主要影响因素。同时研究相应的计算机仿真的方法，对表面贴装工艺过程中的应力进行分析研究，从力学的角度出发，建立相关的模型，确定焊点的形态特征。通过计算机辅助及有限元分析的方法，分析了电子元器件焊点及板级处由工艺过程中引入的热应力分布，形成一种电子元器件表面贴装工艺热应力损伤仿真分析方法。此方法属于电子元器件表面贴装工艺热应力损伤仿真
(二)
技术介绍
：随着信息
的不断拓展以及智能时代的到来，电子产品不断向集成化，高密度化和轻量化发展。大量的高密度电子器件的应用，导致电子元器件相关的组装密度也越来越高，同时也对电子组装技术也提出了更高的要求。由于电子元器件种类繁多，导致电子组装工艺更为复杂，同时加之中国国内的装备制造企业的工艺水平与国际先进企业相比存在较大的差距，电子元器件组装工艺尤其是军用电子元器件的组装工艺存在着较为严重的工艺缺陷和可靠性问题。大量的工艺缺陷如焊点空洞、润湿不良、焊点机械强度差和疲劳寿命低严重影响了军用电子组件装备的质量和寿命，影响战备完好性，同时制约了武器装备的发展。目前表面贴装工艺是最流行的电子组装技术，以其工艺带来的组装密度高，电子产品体积小、重量轻而广为使用。表面贴装工艺是在印制电路板表面的已经印刷好焊膏的相应位置，贴焊相关元器件到印刷电路板上。该过程中无需进行传统的钻插装孔的相关工艺过程，由此简化了电子产品组装工艺，实现了电子产品组装的微型化和自动化，使电子元器件的生产效率及电子组件的产品质量得到明显的提升，由此得到广泛的应用，其对于电子装配行业的发展与进步产生了很大的积极的影响。表面贴装工艺是目前应用最为广泛的电子组装工艺，在现有的组装技术中扮演着重要的角色，但是该工艺过程仍然存在工艺过程导致的问题，带来电子组件的质量下降的现象。在表面贴装工艺过程中，由于存在工艺工序加载的条件问题，会使电子器件在组装过程中产生应力，工艺过程中所引入的应力会存在于电子组件内部，尤其是由温度变化引入的热应力，对电子组件的可靠性是不可忽略的。因此，需要从电子组件表面贴装工艺入手，分析工艺过程中应力损伤的易发生区，对不同器件的表面贴装质量进行评价，从而对表面贴装的工艺水平的改进提供部分思路，以此来提高电子组件的质量和可靠性。(三)
技术实现思路
：1、目的：本专利技术的目的是提供一种电子元器件表面贴装工艺热应力损伤仿真方法，它以表面贴装工艺过程为研究对象，分析表面贴装工艺过程中的失效模式和失效机理，同时建立针对于焊点及印刷电路板的应力相关仿真模型，分析工艺过程中电子组件的应力应变及相关损伤，从而对电子元器件表面贴装工艺的热应力损伤进行仿真分析。该方法操作简单，成本低且便于实施，可以明确影响表面贴装过程应力损伤的影响因素，准确分析工艺过程中产生的热应力分布，能够对表面贴装工艺质量进行估计，进而为准确进行电子组件的可靠性评价和寿命预计提供依据。2、技术方案：本专利技术是一种电子元器件表面贴装工艺热应力损伤仿真方法，它包括如下步骤：步骤一：表面贴装工艺流程分析对于表面贴装过程中所经历的工艺流程进行调研，对表面贴装工艺的一般流程进行总结，得到表面贴装工艺流程表。对其中对表面贴装工艺质量影响较大的工艺流程进行进一步细化分析，得到具体的工艺流程表。步骤二：严酷度、发生度及检测度选取为了衡量工艺缺陷的大小，引入风险优先系数，风险优先系数越高，其潜在的问题越严重，造成工艺缺陷的概率就会越高。风险优先系数为严酷度、发生度及检测度的乘积，因此需要选择合适的准则，对严酷度、发生度及检测度进行定量的衡量。步骤三：表面贴装工艺过程PFMECA分析针对典型电子表面贴装的工艺流程，开展失效模式及后果分析(ProcessFailureModeandEffectsAnalysis，PFMECA)分析，完成表面贴装工艺过程PFMECA分析表。根据分析表，确定关键工艺过程及相关重要工艺参数，提取出重要度高的关键因素，为下一步方案的进行提供基础。步骤四：焊点形态模型理论推导基于液桥理论、焊点形态对应力的影响和Young-Laplace方程等理论基础，得到液态焊点的模型数学表达式。根据不同的特点进行焊点分类，进一步推导出两种常见形态的焊点处的微分方程。利用SurfaceEvolver软件对所得微分方程组进行求解，可以得到焊点在Z轴方向上的坐标结果，从而确定焊点的形态。步骤五：仿真实体模型建立由器件手册、器件设计文件、设计经验值和相关标准等信息，获得建模所需PCB板的形状参数、焊盘的形状位置参数、焊膏的种类及相关参数。由于PCB板和焊盘在经历表面贴装工艺流程前后的并未发生物质的改变，所以可以直接利用Solidworks软件对表面贴装的PCB板和焊盘进行实体建模。而焊点的形状极大的影响着焊点处的残余应力的大小，所以先要利用上述焊点形态模型对焊点的形状进行求解，再将SurfaceEvolver软件求解出的结果输入到实体建模软件中，建立焊点的实体模型。步骤六：表面贴装工艺热应力有限元仿真采用有限元分析的方法，考虑电子表面贴装工艺过程中材料、PCB板、关键元器件以及可能出现的成分、结构变化，以及在表面贴装工艺过程中的环境温度变化，利用ANSYSWorkbench软件开展有限元仿真。步骤七：仿真结果分析与热应力损伤识别分析有限元仿真模型的应力应变分布状况，识别电子表面贴装的过程中板级组件及关键元器件的应力应变损伤易发区，从而对表面贴装工艺过程导致的应力损伤进行研究。(四)附图说明：图1实施步骤流程示意图图2第一类焊点三维示意图图3第二类焊点三维示意图图4第一类焊点受力分析图图5第二类焊点受力分析图图6SurfaceEvolver求解流程图图7PCB板实体模型图图8PCB板网格划分图图9L2(LQFP)焊点形态图图10表面贴装电容(0402)焊点形态图图11表面贴装电阻(0603)焊点形态图图12表面贴装电容焊点处网格划分图图13表面贴装电阻焊点处网格划分图图14表面贴装芯片L2焊点处网格划分图图15回流焊温度控制曲线图图16PCB板仿真结果图图17表面贴装电容仿真应力图图18表面贴装电容仿真应力局部放大图图19表面贴装电阻仿真应力图图20表面贴装电阻仿真应力局部放大图图21表面贴装芯片焊点仿真应力图图22表面贴装芯片焊点仿真应力放大图(五)具体实施方式：下面将结合附图对本专利技术电子元器件表面贴装工艺热应力损伤仿真方法作进一步的详细说明，具体步骤如下：步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电子元器件表面贴装工艺热应力损伤仿真方法，其特征在于：以表面贴装工艺过程为研究对象，分析了表面贴装工艺过程中应力的产生来源及相应的解决措施，利用PFMECA分析方法，对表面贴装工艺过程做以研究，分析出对工艺热应力的主要影响因素。同时研究相应的计算机仿真的方法，对表面贴装工艺过程中的应力进行分析研究，从力学的角度出发，建立相关的模型，确定焊点的形态特征。通过计算机辅助及有限元分析的方法，分析了电子元器件焊点及板级处由工艺过程中引入的热应力分布，形成一种电子元器件表面贴装工艺热应力损伤仿真分析方法。该方法具体步骤如下：/n步骤一：表面贴装工艺流程分析/n步骤二：严酷度、发生度及检测度选取/n步骤三：表面贴装工艺过程PFMECA分析/n步骤四：焊点形态模型理论推导/n步骤五：仿真实体模型建立/n步骤六：表面贴装工艺热应力有限元仿真/n步骤七：仿真结果分析与热应力损伤识别/n利用步骤七获得的表面贴装工艺热应力有限元仿真结果，可以识别电子表面贴装的过程中板级组件及关键元器件的应力应变损伤易发区，对不同器件的表面贴装质量进行评价，从而对表面贴装工艺导致的工艺应力损伤进行研究。/n

【技术特征摘要】
1.一种电子元器件表面贴装工艺热应力损伤仿真方法，其特征在于：以表面贴装工艺过程为研究对象，分析了表面贴装工艺过程中应力的产生来源及相应的解决措施，利用PFMECA分析方法，对表面贴装工艺过程做以研究，分析出对工艺热应力的主要影响因素。同时研究相应的计算机仿真的方法，对表面贴装工艺过程中的应力进行分析研究，从力学的角度出发，建立相关的模型，确定焊点的形态特征。通过计算机辅助及有限元分析的方法，分析了电子元器件焊点及板级处由工艺过程中引入的热应力分布，形成一种电子元器件表面贴装工艺热应力损伤仿真分析方法。该方法具体步骤如下：
步骤一：表面贴装工艺流程分析
步骤二：严酷度、发生度及检测度选取
步骤三：表面贴装工艺过程PFMECA分析
步骤四：焊点形态模型理论推导
步骤五：仿真实体模型建立
步骤六：表面贴装工艺热应力有限元仿真
步骤七：仿真结果分析与热应力损伤识别
利用步骤七获得的表面贴装工艺热应力有限元仿真结果，可以识别电子表面贴装的过程中板级组件及关键元器件的应力应变损伤易发区，对不同器件的表面贴装质量进行评价，从而对表面贴装工艺导致的工艺应力损伤进行研究。


2.根据权利要求1所述的一种电子元器件表面贴装工艺热应力损伤仿真方法，其特征在于：在步骤一中所述的对表面贴装过程中所经历的工艺流程进行分析，为后续失效模式及后果分析(ProcessFailureModeandEffectsAnalysis，PFMECA)分析奠定基础。其具体过程如下：
首先对表面贴装过程总体的工艺流程进行调研，一般的表面贴装工艺包括以下六个流程：印刷、贴装、固化、回流焊接、清洗及检测。视工艺要求不同，可能会省去固化及清洗的相关步骤。
在表面贴装工艺的所有流程中，对表面贴装工艺质量影响较大的四个工艺流程分别是：印刷、贴装、回流焊和清洗。对这四个重要的工序进行细化分析，得到对应的具体工艺流程表。


3.根据权利要求1所述的一种电子元器件表面贴装工艺热应力损伤仿真方法，其特征在于：在步骤二中所述的对表面安装过程中工艺缺陷的严酷度、发生度及检测度进行定量的衡量，为工艺过程分析表的填写做准备。其具体过程如下：
在填写表面贴装工艺过程分析表时，为了衡量工艺缺陷的大小，引入风险优先系数的概念。当风险优先系数越高时，其潜在的问题越严重，造成工艺缺陷的概率就会越高。而风险优先系数为严酷度、发生度及检测度的乘积。由此需要选择合适的准则，对严酷度、发生度及检测度进行定量的衡量，以此来填写完成工艺过程的分析表。


4.根据权利要求1所述的一种电子元器件表面贴装工艺热应力损伤仿真方法，其特征在于：在步骤三中所述的针对典型电子表面贴装的工艺流程，开展PFMECA分析，完成表面贴装工艺过程PFMECA分析表，确定关键工艺过程和参数。其具体过程如下：
基于上述调研及分析，对每一个重要工序进行分析，找出其对每个故障模式所对应的对产品各个方面的影响，包括对产品本身，制作周期，制作成本，工装设备，人员及对环境的影响程度。由实际的调研情况，选取合适的发生度，检测度及严酷度，计算得到风险优先系数，进而得到表面贴装工艺过程的PFMECA分析表。当风险优先系数越大时，则该工艺故障模式是需要重点解决的对象。需要采取必要的改进措施，以降低该工艺故障模式的风险优先系数。同时对于风险优先系数较小的工艺故障模式，可以在一定的权衡下，忽略或不进行改进。


5.根据权利要求1所述的一种电子元器件表面贴装工艺热应力损伤仿真方法，其特征在于：在步骤四中所述的基于液桥理论、焊点形态对应力的影响和Young-Laplace方程，推导出两种常见形态的焊点处的微分方程，利用SurfaceEvolver软件进行求解，从而确定焊点的形态。其具体过程如下：
为求解出焊点的形态，首先需要建立焊点的微分方程。根据常见的焊点形态，可将焊点分为两类。第一类焊点是器件底部与焊盘通过焊料相连接，器件的侧面没有焊料。第二类焊点是器件不仅底部与焊料相接触，器件的侧面也存在有焊料，即存在有焊锡包角的形式。为建立焊点处的微分方程，由于焊点是对称的，选取其中的二分之一进行受力分析。规定垂直于纸面向里的方向为X轴，建立空间坐标系，选取Z方向的截面，对焊点进行受力分析。
对于理想的焊点，液态焊点遵循能量最小原理，同时假设理想情况下，液态焊点在焊盘上均匀的分布，并且分布的边界为焊盘的边界。其中Pd为液体底部压强，Ax为底部焊盘比元器件的长度差，a代表焊盘的的长度，Wz代表支撑力，γ代表表面张力，θd代表润湿角，ρ代表密度，g代表重力加速度，V0代表焊膏体积。规定沿Z轴方向的力为正，由于焊点的形态是对称的，两边的受力状况相同，只需要分析一半部分的焊点的受力情况，因此液态焊点的模型数学表达如下所示:
Pd(2Ax+a)2+Wz-4γ(2Ax+a)sinθd-ρgV0＝0
液桥底部的压强：



对于第一种类型的焊点静力学平衡方程为：
Pd(2yi(0)+Ly)Lx-2γ(2yi(0)+Ly)sinθj(0)-2γLxsinθi(0)+Wz-ρgV0＝0
则液桥底部的压强：



对于第二种类型的焊点静力学平衡方程：
Pd(2y(0)+Ly)Lx-2γ(2y(0)+Ly)sinθj(0)-2γLxsinθi(0)+Wz-ρgV0＝0
则液桥底部的压强：



根据在焊盘的约束下形成的液态焊点，对于旁边两界面的交互部分，做一个椭圆化的近似。
(1)第一类焊点处的微分方程
两端液汽界面的主曲率方程：



所以根据Young-Laplace方程可以得到另一个主曲率：



形态参数的微分方程：



(2)第...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁佳鑫，张素娟，李颜若玥，万博，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11