基于ANSYS的再流焊接工艺参数仿真与预测软件开发

周 颖

（安徽工贸职业技术学院机械与汽车工程系，淮南 232009）

0 引言

随着现代科学技术的发展，各种高精度现代智能电子设备的应用领域更加广泛，人们对电子产品的整体质量与可靠性提出了更高的要求［1，2］.由于SMT 及其封装向着高度集成化、高性能化、多引线和窄间距的方向发展，如BGA、CSP、FC 等，从而对组装技术同样提出了更高的要求.不断增加的组装密度以及相应元器件尺寸的减少产生了很多产品组装质量问题，传统的实验分析方法对于分析产品故障来说不仅费用昂贵，同时很难保证实验资料的可靠性.目前SMT 产品单个品种的生产周期较长，从收料、准备到设备贴装生产，每一生产环节都可能对产品质量造成影响.现有SMT 生产流程含15个串行步骤，依次是物料清点及检查、生产资料准备、物料预烘、设计图纸与BOM 确认、设备编程、焊膏回温、印膏、印膏质量首检及返工、上料/换料、上料正确性确认、贴片、贴片质量自检及修整、回流焊、回流焊后焊接质量检测、过程数据记录.

大量研究实验表明，在电子封装过程中焊点连接是非常重要的，许多人认为电子设备的可靠性常归根于焊点的可靠性，也有人认为由于焊点尺寸越来越小，焊点成为最弱的连接环节，必须进行仔细研究设计以防疲劳失效［3-4］.随着计算机技术的发展，计算机技术和工程实际相结合，对SMT 关键工艺进行监控和仿真是解决问题的有效手段.在SMT 组装过程中，焊接质量的好坏直接关系到产品的质量好坏.利用计算机仿真再流焊接工艺过程，不仅能够提高分析的效率，而且可以减少实验费用，减少通过试凑法设置温度曲线所用的时间.

在生产实际中，温区温度是关键的工艺参数之一，温区温度设置的好坏直接关系到焊接质量的好坏.对于特定的再流焊炉来说，由于温区数目一定，则合理设置各温区的温度显得尤为重要.回流焊接工序中合理的温度曲线设置是保证回流焊接质量的关键，不恰当的温度曲线会使PCB 板出现焊接不全、虚焊、元器件翘立、焊锡球过多等焊接缺陷，严重影响焊接质量.一般来说，为了保证产品在焊接过程中不受大的热冲击以及保证充分焊接，可以提高预热区的温度和减慢焊接传送速度，但是速度太低显然会影响产品的产量.加强温湿度监测力度，提高湿敏性元件焊接质量.对于湿敏性元器件在SMT 的回流焊接中，因湿气膨胀、材料的不匹配以及材料界面劣化等因素的影响会导致元器件开裂或者内部关键界面的分层.通过对生产环境温湿度的严格监测及控制，可有效保证湿敏性元器件的焊接质量.

传送速度体现的是生产效率，焊接传送速度决定了产品在再流焊炉中的加热时间，减慢传送速度可以增加SMA 的加热时间，减少由于受热不均匀造成的部分焊接不充分现象，能有效防止冷焊现象的产生.但是过慢的传送速度会严重影响产品的产量，另外也可能造成局部元件过热，从而影响产品的可靠性和寿命.

产品的布局是指元件在基板上的分布情况，由于不同元件的体积、密度不同，造成元件的质量各不相同，在考虑元件的温度随时间的变化关系时，可以忽略元件的热阻，把元件当作一个微元体来看待，则利用集总参数法可以建立元件在焊接过程中的集总参数数学模型，即

显然热容量大的元件温度变化比较慢，在焊接过程中为了防止局部过热，在SMA 设计时，一般把热容量大的元件尽量均匀分布在整个基板的表面.

1 仿真软件系统应具有的功能

为了实现再流焊接温度曲线的自动设置，并能应用于生产实际，再流焊仿真与预测软件系统必须具备以下两个基本功能：

（1）系统能够自动根据产品的特点建立ANSYS 实体模型.

由于ANSYS 温度场仿真模型对SMA 进行了许多简化，在实际生产中可能造成模型不准确，另外建立ANSYS 实体模型的过程比较复杂，对每种产品都建立实体模型的过程过于繁琐.对于再流焊接预测与仿真系统，可以对ANSYS 进行二次开发，建立SMA 电子CAD 文档自动转化为ANSYS 实体模型之间的接口程序，方便建立仿真系统的实体模型.在建立实际产品的有限元模型之后，能方便设置工艺参数.

（2）建立并完善专家评价系统.

通过仿真系统的分析，在得到该工艺参数条件下SMA 的温度响应和温度曲线之后，通过专家评价系统，给出参数修改意见.专家系统要根据特别有经验的工程技术人员的实践经验，结合比如器件的热容量大小、各种元器件的敏感温度、元器件在敏感温度之上的功能失效时间、焊点数量及其大小形态、焊接速度（传送速度）等作出参数设置好坏的综合判断，并日趋完善.当然，这部分工作大部分由数据库及统计分析方式形成约束条件体现在软件编程之中.

2 基于数据库的仿真系统

由于SMA 几何外观的复杂性，SMA 电子文档和ANSYS 程序的接口程序实现有一定的难度，在建立了SMA 有限元分析模型后，如何通过再流焊接工艺仿真系统对焊接过程中SMA 温度变化进行分析评价，是实现仿真系统的关键.再流焊接工艺参数设置的三个关键是产品布局，温区温度以及传送速度.为了解决仿真系统不能自动建立ANSYS仿真模型的问题，可以在现有大量数据的基础上，通过建立产品数据库，再流焊炉温区温度数据库和通过输入不同的传输速度值来定义典型产品的合理工艺.

对数据库中的数据进行再加工，形成一个综合的面向分析的环境，以更好支持决策分析，从而形成了数据仓库技术（Data Warehousing，简称DW）.由于产品布局以及温区的设置具有相似性，对于具有相似布局的产品而言，其温区的温度设置带有很大的相似性，只需通过微调就能达到工艺要求.基于这样的思想，可以在积累大量生产实际数据的基础上，把统计分析和数据库相结合，建立基于典型产品布局和典型温度设置的数据库系统.

和传统的焊接工艺设置方法相比，由于用计算机存储了大量的实际生产数据并经过合理的统计分析，再结合通过训练完善的专家系统评价，其效率会大于任何一个有经验的工程师.从而杜绝了通过多次试凑来确定焊接工艺造成的时间浪费.充分节约了人力资源，提高了生产效率.利用数据库的可扩充性，逐步完善产品数据库、温度曲线数据库以及温区温度设置数据，从而提高仿真系统的准确性和快速性.

传统的温度设置方法在测试温度的时候，测试点的确定是一个关键，一般根据产品布局以及以往的经验，在热容量比较集中和分散的地方分别取上三点，以此来估计整个SMA 板温度随时间的变化关系.该仿真系统通过数学建模和ANSYS 分析，可以准确地判断SMA 的温度的分布情况，为测试点的确定提供科学依据.

通过选择特定的产品以及再流焊接工艺参数，结合ANSYS 仿真模型，计算出该产品在焊接过程中的温度响应，然后通过作为本软件重要组成部分的专家系统判断温度曲线是否达到最优.如果在该工艺条件下，产品的温度曲线存在问题，通过专家系统判断可能产生问题的工艺原因，然后输出反馈信息，通过计算机的反馈信息，人工改变相应的工艺参数，再通过ANSYS 仿真模型进行计算，直到得到合理的温度曲线.

在该仿真系统中，主要通过评价产品的最高温度是否超过焊接温度时间、产品每一部分的温度差别情况以及温度随时间的变化图是否在理想温度曲线的范围内来判断工艺参数设置的好坏.

3 再流焊接工艺仿真与预测系统软件设计与实现

上述分析明确了再流焊接工艺仿真系统基本思想，在系统总体框架下，作者把再流焊接工艺预测与仿真系统分成三大模块，一是产品和工艺参数的选择模块，二是ANSYS 分析模块，三是分析评价模块，如图1 所示.

图1 再流焊接仿真与预测系统框架图

从图1 中可知，采用该软件可以方便地选择不同的产品和再流焊接工艺参数，并经过有限元分析计算，得到相应产品在焊接过程中的温度响应，然后通过专家评价系统，判断在此工艺参数下，产品的温度响应是否合理，提出修改再流焊接工艺参数的意见，通过多次比较和修改，完成再流焊接工艺参数的优化过程.

该再流焊接工艺预测与仿真系统软件用VC++编程语言编制，软件采用模块式结构，整体以Windows7 为平台形成中文显示交互式软件，图2为SMT 再流焊接预测与仿真系统交互式操作过程中所示各功能界面拷贝.该软件有很强的操作导航功能，使用操作过程简单.

图2 再流焊接仿真与预测软件各个界面图

为了比较该仿真预测软件的优化效果，作者分别导出了同一SMA 有限元分析模型在再流焊接参数优化前后的温度曲线，如图3 所示，左为优化前，右为优化后.对比可以发现，优化后温度曲线平滑，高温段时间较短.

图3 参数优化前后SMA温度曲线比较

4 结束语

根据再流焊接工艺生产实际，提出了基于数据库和统计分析方法的再流焊接工艺预测与仿真系统的基本思想，建立了再流焊接工艺预测与仿真系统.采用VC++作为编程语言，开发了再流焊接工艺预测与仿真系统软件.通过日益完善软件的专家评价系统，可以指导生产实践中选定最合理的工艺参数.