焊点模拟

焊点模拟（精选6篇）

焊点模拟 篇1

引言

由于组件间各材料的热膨胀系数不匹配以及温度梯度的存在, 组件内部各材料结合面间会存在热应力, 热应力的作用下, 裂纹将会在材料结合面间产生和扩展, 最终导致整个组件的失效。统计数据显示, 在引起电子产品失效的因素中, 温度占了超过45% 的比例[1], 因此, 研究电子产品在温度场作用下的可靠性具有重要理论意义及工程应用价值。

焊点在整个电子封装中有着举足轻重的地位, 因为一个焊点的失效将导致整个焊点的失效, 从而失去电气连接的作用。所以焊点在整个电子封装中占有举足轻重的地位。研究表明:增加焊点的高度可以显著增加焊点的热疲劳寿命[2,3]。而实际情况中, 焊料熔化时自身的重量就会大于收球的表面张力而使焊点坍塌, 限制了焊点的高度。针对这一问题, 提出了一种新型焊点—“叠层焊点”, 通过焊点叠层的方法增加焊点的高度, 达到减小剪切应力的目的, 从而大大提高其可靠性。本文以采用叠层焊点的PBGA组件为研究对象, 对其热结构耦合条件下进行模拟分析, 并与传统单层焊点相比较, 验证叠层焊点的优越性。

一、温度场模拟分析

1.1 PBGA组件模型参数。本文的分析对象为Top Line公司生产的16×16全阵列产品, 即叠层无铅SAC305焊球总共256个。组件各部分尺寸参数如表1所示[4]。为了缩短计算时间, 根据模型组件结构上和载荷上具有对称性的特点, 采用1/4模型进行计算, 并忽略金线和铜箔的影响, 假设各材料之间为完全接触。

该问题属于稳态分析的范畴, 因为PBGA组件稳定工作后, 其内部的温度场分布是不随时间变化的。进行稳态温度场分析, 只需定义材料的导热系数。各材料导热系数如表2所示。采用Solid70三维实体单元进行稳态温度场分析。对模型进行网格划分后, 得到的用于计算的有限元分析模型如图1所示。

1.2温度场分析。进行温度场分析前, 需对模型施加载荷和边界条件。假设芯片的发热功率为0.25w, 发热率为20%, 由于采用1/4模型, 因此用于发热的功率为0.0125w, 1/4芯片的体积为1.875×10-9 m3, 可得芯片的热源强度为6.67×106w/m3。模型的边界条件为:组件通过塑封、基板和PCB表面与空气的对流和辐射进行散热, 周围空气取25℃, 对流换热系数取10w/ (m2·K) , 玻尔兹曼常数为5.67×10-8w (m2·K4) , 表面发射率为0.9, 模型初始温度为25℃。施加了载荷和边界条件后, 模型稳态温度场计算结果如图2所示。

由图2可知:组件在稳定工作后, 芯片的温度最高, 热量在组件中进行传递, 到达组件表面后以对流和辐射方式进行散热, 最高温度为46.2℃, 最低温度在PCB的对角线处, 其值为34.6℃。

图3为结构相应的温度梯度分布云图。从图中可以看出, 在叠层焊点与PCB接触的地方温度梯度最大, 其值为23513.6;叠层焊点内部温度梯度最大值为1705.8。

二、热应力模拟分析

在ANSYS中提供了间接法求解结构的热应力, 即以温度场分析的结果作为结构分析的载荷, 进行结构分析。由于焊料具有明显的粘塑性, 采用统一粘塑性Anand本构方程描述其力学行为, 参数如表3所示[4]。进行结构分析时, 焊料采用Visco107单元, 其余材料假设为线弹性, 采用Solid185六面体单元。模型热—结构耦合分析的边界条件为:模型的两个切面施加对称边界条件, 对PCB下角点施加全约束。由于Visco107单元是非线性的, 所以进行结构分析时必须打开大变形选项, 否则求解不能进行。虽然在叠层焊点与PCB接触处的温度梯度最大, 但最大热应力应变发生在最外围角点处叠层焊点顶部。计算结果如图4所示。

从图4可以看出, 叠层焊点在稳定工作条件的热应力应变分别为20.4Mpa和0.862E-3。

三、与单层焊点相比较

为了比较焊点结构形式 (单层与叠层) 对PBGA组件热应力应变的影响, 在其它条件不变的情况下, 建立了采用传统单层焊点的PBGA组件有限元模型进行热—结构耦合分析, 计算结果如图5所示。

值得指出的是:由于焊点结构微小, 焊点的结构形式对PBGA组件温度场影响不大。但经过热—结构耦合分析发现, 单层焊点的热应力应变分别为28.1Mpa和0.0311, 相比于叠层焊点, 相同条件下单层焊点的热应力与热应变都提高了, 根据计算焊点热疲劳寿命的M—C方程可知, 在相同条件下, 采用叠层焊点能在很大程度上提高焊点热疲劳寿命。

四、结论

对采用叠层焊点的PBGA组件进行了热—结构耦合分析可知:在其它条件不变的情况下, 采用叠层焊点能有效减小焊点的热应力应变, 从而提高焊点的热疲劳寿命。

摘要：热疲劳失效是电子产品的主要失效形式。采用模拟分析的方法建立了采用叠层焊点的PBGA组件有限元分析模型, 首先对组件在典型工作环境下进行热分析, 得到组件温度场分布;接着对组件进行热—结构耦合分析, 分析组件在温度场作用下的热应力应变分布;最后与采用传统单层焊点的PBGA组件相比较, 结果表明:在其它条件保持不变的情况下, 叠层焊点能有效降低焊点热应力应变, 从而提高其热疲劳寿命。

关键词：叠层焊点,热—结构耦合,ANSYS

参考文献

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焊点模拟 篇2

在新形式下的模拟表明配置技术所形成对电路板的控制技术被称为SMT, 它是在电路板的表面进行焊接, 使用这种技术可以很好的保证电子线路的整体性, 和线路在使用中的电气性能更加有优势, 以后后期电路维修, 机械养护方面较为简答。为了更好的提升SMT技术在使用中的可靠性能, 技术人员在研究中对于该技术的检测方法上做出了技术革新, 使用了图像甄别系统, 这样就能保证SMT技术的使用, 以及危害机械原件的使用寿命。采用的图像采集技术是在原有二维的基础上, 转换为了三维图像收集, 将信息的面层拓宽, 对于模型的重新构建有着积极的作用。也有助于指导和改良SMT焊点的质量精度, 更好的推进焊接技术的发展。下面我们就SMT焊点图像处理及焊点三维质量信息提取技术进行讨论。

2 SMT焊点图像处理技术的使用原理

SMT焊点的图像处理是一种构建方式, 通过对于基础原件中获取的二维数据图像进行处理, 得到的高清晰度的焊点示意图像后, 根据图像中显示的原件与焊点之间的情况不同做出分析。其中包括焊点的位置出现偏差、焊接方向出现错位、焊接点的上下平整度不够告, 以及焊接处出现了异物。这些情况都可以在图像中明显的表现出来。根据得到的信息在进行三维技术的重新构建, 得到了关于换点的三维质量图形, 提取出一些关于焊点的质量和设计焊点形状的图示, 对两者进行比较, 得出相关的技术参数和理想状态下焊点的成型状态, 进而为下一步的工作做准备。

使用SMT技术对于焊点的技术保证在构造方法上有一定的优势, 一来是得到的三维质量信息的准确度较高, 对于系统的检测程度更加彻底, 再就是操作中较为简单, 单一取象多元使用, 通过二维的图像采集再进行处理就可以得到三维的质量分析, 实现了以往无法达到的质量信息快速获取的情况。同时, SMT焊点图像收集的技术还在很大程度上减轻了技术人员在辨别机械故障方面的工作任务, 大大的改观了工作的质量, 对于机械的维护和使用起到了积极的作用。

3 焊点三维图像质量信息提取技术

在SMT焊点表面图像采集系统中, 在要求获得图像的速度上有这明确的要求, 以及在清晰度上也做出了相关的规定, 基于获取信息在使用中较为复杂, 完全可以考虑使用二维图像对于焊点的图像生产, 都需要通过计算机对于数据进行采集, 利用视觉信息处理的加工方法, 对SMT焊点进行完善, 这就在很大程度上解决了在焊点图像采集中出现图片不清晰的问题。在所提到的视觉计算机图像采集装置中最为主要的原件就是高灵敏度的光学构件, 它使用的是光学的耦合技术, 在QQSDE模式下快速的采集图片, 形成的图像与摄像机所拍摄的大致相同。再把光学元件收集的检测信息发送到信号转换装置当中, 利用信号发射的原理将图像转变成图像信号, 。在计算机接收信号的同时, 对于信号进行分析, 把原有的加密进行破解, 快速的从信号当中需找焊点信息, 并将破解出的信息提取出来再次转换成模型, 对于目标表征较为明显的图片可以直接进行知道焊接。如果遇到较为辅复杂的表征形式, 可以将数据的格式存储记录到数据库中, 与原有数据进行比对, 得出最为相似的数据进行分析提取, 并将最终得到的数据指令下达到每一个数据终端当中。

用数据线连接机械设备的数据初口。初口连接的是两个识别卡系统。这里所说的识别卡都是在末端安装了高灵敏度的传感器, 当机械在使用中焊点的位置以及使用方式出现了异常, 识别卡就会在第一时间将数据传输到计算机信息终端, 技术人员就可以根据数据的变化, 即时的分析出此刻电子机械使用的相关情况, 作出应急方案。在这里, 系统两端的读卡器会一起将数据传输出去, 不会引起任何的干扰。

在具体使用中先是打开电路, 系统会自动更新, 将上次的数据自动保存在硬盘中, 然后自身启动重启格式化的功能。这时系统会提示是否将采集的焊点的图像信息的及时情况监控与计算机网络系统连接。一旦系统连接了就会跳转到ARP模式中, 选择HCP和HTTP处理。正常情况下, 这些选择都会将及时数据以绿色文字、符号的形式显示在电子显示屏上, 但是有异常工作状况, 系统会跳转成红色字体, 切断工作机械的电源, 打开图像采集关闭保护系统, 并且停止收集图像和转换图像信息, 根据提取出来的三维质量信息做出相应的-判断和对设备进行处理。

4 三维质量信息提取的细则

在一些基本图像采集功能之外还有辅助功能, 这些功能在三维模型中也有重要的变现。它可以实现焊点之间的自动对接和安装, 将单一的焊点在SMT下通过物理的方法连接在一起, 使前后的焊点信息能够相互的联系在一起, 共同辅助电子元件的焊接的工作。扩展临界面也需要一些特殊焊点进行改变性能。

在整个焊点三维信息采集中, 构造形态清晰是采集的关键。设计中的降速矩阵在简化比的作用下, 计算出数值的共轭值, 数据再通过调制解调器进行输入。焊接式的设计还有一部分是用来传动的, 将化学能转成动能, 将转换来的能量带动机械的转动, 其中最为关键的因素就是防止滑焊的作用。如果一旦焊接中一旦出现焊错或者焊空, 整个系统将不能发生可逆, 对于焊接式的系统也起不到保护的作用。另外, 支承中也需要有一定的防止滑焊效果。将电机在一个密闭的环境下, 通过改变压强的方式, 做有用功, 保障焊接点连接的顺畅。

根据单维度的图像构建出的三维图像在信息上更加的全面, 对于视觉的计算模型也更加方面, 但是这也是从一个二维空间中直接转换为三维模型, 有些信息不是直接对应过去的, 而是采用的经验公式, 构建出来的模型往往达不到设计的要求, 但是在焊点的图像的采集中与三维信息大致相符, 还是可以起到指导的作用。一般在研究中认为, 焊接的三维信息就是焊接点的质量信息分析, 对于异常情况下的焊点进行判断就是提高质量, 安全检测的最重要的方法。从焊点三维图像中获取焊点形态参数的过程, 实质是一个图像测量的过程, 主要涉及到图像的面积、长度、高度等基本内容的计算, 一般可以通过对焊点三维重构中的计算公式计算获得。

5 结束语

在本文中相对较为全面地介绍了基于图像采集方式下的SMT焊点三维质量信息提取技术是工作原来, 已经在使用当中的具体步骤。同时应用该技术和方法对多种类型焊点进行了检测和分析实验, 结果证明了其有效性。根据二维模式的转变为三维的信息处理重置后的SMT焊点三维图像, 可通过数学形态学的方法得到焊点的面积、周长和焊点边缘等一些信息, 可以对SMT焊点做更多的研究。同时将质量信息的检测中使用的图像引入三维数据采集技术, 提取SMT焊点质量信息, 对改善SMT焊点质量及其焊接工艺有一定的指导意义和参考价值。但是由于SMT产品在使用的过程中质量受到影响的情况比较多, 焊点的种类难以具体分析, 要在上述理论和方法基础上形成一套更为实用操作系统, 这就必须做出更多的努力。焊点三维质量信息提取技术和焊点图像处理技术也还有很多改进的空间

摘要：基于结构物的焊点表面组成部分多用形状原理进行组成, 在焊接中, 使用的过程是使用基础设备对图像进行采集, 再根据采集到的SMT焊点的信息图像进行技术性处理。鉴于单点和多点的空间化模式下的信息进行提取, 形成具体的模型, 结合数据的约束条件得出关于焊点的三维质量信息成果。在文中还提到了关于使用SMT图像处理技术时, 采集图像的清晰度不好的情况下, 如何多缺点进行改进。实现焊点图像的获取和处理完全在三维条件下进行。

关键词：SMT焊点,三维质量,信息提取,图像处理

参考文献

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焊点模拟 篇3

印刷电路板(PCB)制造业是电子工业中最基础、最活跃的产业之一。随着PCB制造朝着高密度、多层数、高性能方向发展,为了提高生产率、保证加工质量和节省成本,其质量检测手段必然要求由人工检测转向自动检测。其中,机器视觉是自动检测的主要手段之一。

与工业应用相呼应,PCB的机器视觉定位检测技术也成为学术界的研究热点,涉及PCB光板缺陷检测[1]、边缘检测[2]、圆形焊点定位[3,4,5,6,7]、不同形状的电路元件检测[8,9,10]、标志点及各种用途孔的定位[11]等。例如,文献[1]着眼于PCB光板几种常见缺陷的检测,搭建了硬件平台,设计了识别算法;其中,硬件平台由照明系统、图像采集系统以及控制台系统构成,识别算法由图像预处理、分割、描述、数学形态学以及模式识别等算子构成。文献[2]针对BGA(球栅阵列结构的PCB)表面贴片安装问题,介绍了BGA定位系统的结构及其组成原理,提出了基于灰色系统理论的BGA图像边缘检测算法。文献[5]针对半导体封装问题,提出了一种基于图像匹配的焊点快速定位算法,通过对相似性度量准则、搜索策略、模板图像处理等关键因素的优化处理,使系统能够满足实时性(50 ms)和定位精度(1个像素)的要求。文献[6]将Hough变换圆检测与最小二乘圆检测相结合,提高了圆检测的抗噪声能力和精度,并使提出的算法对异型孔检测具有扩展能力。

对PCB焊点的精密定位问题也进行了研究。通过设计并搭建机器视觉精密定位系统,采集芯片图像,进行像素级别和亚像素级别的图像处理与分析,拟合多焊点的圆形轮廓与圆心坐标,并将焊点定位结果传送给运动台控制系统和执行机构开展作业。

1 机器视觉精密定位系统构成

1.1 系统硬件构成

机器视觉精密定位系统如图1所示,包括3个子系统:1)四自由度/四轴联动运动台,其主要部件为:具有x、y水平方向运动自由度的2个电控平移台;具有z垂直方向运动自由度的电控升降台;具有绕z轴360°旋转自由度的电控旋转台,以及四轴联动控制器;2)图像采集-处理子系统,其主要部件为:DH-GV400UC相机、Computar镜头和PC机;3)执行机构,在不同应用下可采用焊枪、钻头、机械手抓等,装配在运动台上。

各子系统之间的关系为:相机采集图像传送给PC机进行处理;在PC机软件系统中通过图像处理进行PCB焊点定位,根据定位结果对运动台实施控制。控制指令由PC机(作为上位机)发送给运动台控制器(作为下位机),由运动台控制器以四轴联动控制方式驱动四自由度运动台,进而带动执行机构开展作业(焊、钻、抓取等)。图像采集-处理子系统反馈作业精度,从而使整个系统构成闭环测控系统。

1.2 系统软件构成

机器视觉精密定位系统软件的主控程序和主界面在PC机上利用微软基础类库(MFC)建立,在VC++环境下编写应用程序框架和引擎。如图2所示,主界面下集成了Halcon图像处理程序和运动台控制器运动控制程序。其中,“图像采集-处理区”功能模块的实现方式为,通过设计VC++与Halcon的接口,在VC++主界面中调用Halcon函数完成相应功能,从而一方面利用Halcon强大的计算分析能力,另一方面弥补其没有完整开发界面的缺陷。例如,“读取图像”指令通过调用Halcon的Read Image函数实现,“中值滤波”指令通过调用Halcon的Image Median函数实现。类似地,“运动台控制区”功能模块的实现方式为,通过设计VC++与运动台控制器底层控制程序的接口,在VC++主界面中调用运动台底层控制函数完成相应功能。例如“返回机械原点”指令通过调用运动台控制器的底层控制函数Operation Manual实现。

2 机器视觉精密定位原理与实现

2.1 精密定位工作原理

利用机器视觉同时对PCB中多个焊点位置进行自动检测,流程图如图3所示,包括图像采集、图像处理、焊点中心位置坐标的提取与输出等3个步骤:1)图像采集:相机采集图像,在视场范围内自动提取涵盖主要焊点特征的目标区域,存储于PC机中;2)图像处理:利用1.2节中介绍的软件系统对采集到的图像进行处理,拟合出各个焊点的几何轮廓特征;3)焊点中心位置坐标的提取与输出:根据各个焊点的几何轮廓特征以及焊点轮廓与中心的几何位置关系,提取焊点中心位置坐标;传送给运动台控制器后,驱动执行机构到达操作位置。

2.2 图像处理算法

在机器视觉精密定位的3个步骤中,图像处理是要解决的核心问题。图4所示为图像处理流程,其各个步骤用到的算法及解决的问题介绍如下。

1)中值滤波

中值滤波是一种经典的平滑噪声的方法,可用于保护图像边缘信息,在研究中用于保留焊点轮廓图像。其基本原理为,将每个像素点的灰度值调整为该点邻域范围内所有像素点灰度值的中值,从而消除孤立的噪声点。邻域通常采用3×3或5×5区域。

2)阈值分割

阈值分割是一种经典的图像分割方法,适用于处理目标和背景具有不同灰度等级的图像,在研究中用于提高焊点轮廓的对比度。其基本原理为通过合理设置像素点灰度阈值,将原始图像进行二值化处理。

3)边缘检测

边缘检测的目的是找出图像中亮度变化明显的点,在研究中用于在像素级别上标识焊点轮廓。采用了改进的canny算法,这是属于“查找”一类的方法,其基本原理为利用图像亮度梯度(一阶导数)的极值来检测边缘。除“查找”类边缘检测算法之外,常用的还有基于“二阶导数零穿越”的一类方法。

4)亚像素轮廓检测

亚像素轮廓检测的目的是将焊点轮廓检测的精度由像素级进一步提高到亚像素级。采用高斯拟合亚像素边缘检测算法,其基本原理为:在边缘附近选取一系列点,求出这些点的灰度值及其梯度,运用高斯曲线进行灰度梯度值拟合,拟合得到的高斯曲线对称轴的位置即亚像素位置。

5)圆拟合与圆心坐标提取

在已知标准焊点轮廓为圆形的前提下,利用最小二乘法对检测到的焊点轮廓进行圆拟合,从而补充不完备的视觉信息,减小定位误差,进一步计算圆心位置坐标和圆半径。

需要指出的是,上述图像处理方法可以扩展应用于异型定位点检测。此时,“圆拟合”泛化为“几何轮廓特征拟合”,“圆心坐标提取”泛化为“几何轮廓中心坐标提取”。

3 机器视觉精密定位实验

3.1 机器视觉精密定位系统的精度标定实验

由于系统的硬件、软件、算法构成较为复杂,引起定位误差的可能因素较多,因此有必要对系统的定位精度进行标定。如图5所示,实验采用Halcon高精度圆形标定板作为实验对象。该标定板的规格为63 mm×63 mm,在中心区域均匀分布着7×7圆点阵列,各圆点的位置精度和尺寸精度均为2!m。

采用2.2节中提出的定位算法计算出49个圆点的圆心坐标和半径,精度的统计误差约为10!m(0.1个像素)。这满足了工业生产线上普通PCB焊点的定位精度要求(100!m),从而表明提出的机器视觉精密定位系统及算法的可行性。

3.2 PCB焊点的机器视觉精密定位实验

以普通PCB电路板为实验对象(图6(a)),利用第1.2节中开发的软硬件系统开展多焊点的机器视觉精密定位实验。实验中各步骤的输出图像及其分析如下:

1)图6(b)为采集的原始图像,视场范围内既有空白区域,也有焊点特征集中的区域。

2)系统自动将焊点特征集中的区域作为目标区域进行提取,得到图6(c)。

3)图6(d)为中值滤波后的图像。与图6(c)相比,以深色矩形框区域的局部放大图为例,中值滤波使图像变得平滑。下一步的“阈值分割”技术可以解决图6(d)对比度下降的问题。

4)图6(e)为阈值分割后的图像。与图6(c)相比,提高了图像对比度,有效实现了目标与背景的分离。此处采取了反二值化处理,将背景显示为白色,将目标显示为黑色。

5)图6(f)为边缘检测后的图像。由于检测目标为圆形焊点,因此,与图6(e)相比,图6(f)排除了矩形、线段等绝大部分非圆形对象。

6)图6(g)为亚像素轮廓检测后的图像。与图6(f)相比,以红色矩形框内的局部区域为例,亚像素轮廓检测使目标轮廓边缘检测更加精确,从而有利于减小下一步“圆拟合”的输入噪声。

7)图6(h)为圆拟合与圆心坐标提取后的图像。与图6(g)相比,补充了不完备信息,中和了噪声。拟合得到的焊点圆心坐标与半径如表1所示(由于篇幅所限,表1中仅列出部分焊点的数据)。

有必要指出的是,实验PCB焊点的定位速度在100 ms量级(包括图6中各幅图像的显示时间),满足工业生产要求。

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4 结语

针对PCB焊点机器视觉精密定位系统的研究与开发,设计了软硬件系统和图像处理算法。所做工作具有一定的先进性———硬件系统是具有上位机-下位机分层架构的高精度闭环测控系统;软件系统的主控程序和主界面以VC++为内核,便于扩展,且集成了主流图像处理软件Halcon以及运动台底层控制函数库;图像处理算法具有亚像素级边缘检测精度,且具有异型定位点检测的扩展能力。开展了精度标定实验和焊点定位实验,均取得了理想结果。

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焊点模拟 篇4

1 焊点的形成原理和形成过程

1.1 焊点的形成原理

焊点是被焊板材组合装配成搭接接头后,通过电极相向垂直施加压力,同时利用电流通过两板的接触面及邻近区域所产生的电阻热使金属熔化,冷却后形成的结晶熔核,它能够使金属相互黏接并承受一定的外力。

焊点产生过程,能源是电流通过焊接区产生的电阻热。根据焦耳定律,总发热量W为:

式(1)中:Iw为通过焊接区的平均电流值,单位为A;R为两电极间总电阻的平均值,单位为Ω;tw为通过焊接电流的时间,单位为s;W为总发热量,单位为J。

通常,焊接电流Iw和通电时间tw都是选定的,而总电阻R与许多因素有关,它又是焊件内部热源的基础。

在焊接过程中,焊接区的电阻如图1所示,总电阻R为:

式(2)中:Rew为电极与焊件之间的接触电阻,单位为Ω;Rw为焊件内部电阻,单位为Ω;Re为焊件与焊件之间的接触电阻,单位为Ω。

1.2 焊点的形成过程

焊点的形成是一个复杂的过程,根据焊点的形成过程,可以把一个焊接循环分成4个主要阶段:预压阶段、焊接阶段、维持阶段和休止阶段,如图2所示。

(1)预压阶段:电极下降到电流接通阶段,确保电极压紧工件,使工件间有适当压力,形成合适的接触电阻,避免焊件烧穿或将电极工作表面烧坏。

(2)焊接阶段:在压力的作用下焊接电流通过工件,对工件进行加热,金属熔化并结晶形成熔核。

(3)维持阶段:切断焊接电流,电极压力继续维持至熔核凝固到有足够强度,此过程可改善焊点的金属组织性能。

(4)休止阶段:电极开始提起至电极再次下降,开始下一个焊接循环。

根据一个循环焊接过程的电流、焊接时间和电极压力作用的关系绘制出循环图如图3所示。可以看出,一个焊接循环的每一个步骤都有相应的影响因素。在预压阶段,预压时间和压力起着主要作用;在焊接阶段,焊接时间和焊接电流起主要作用;在维持阶段,压力保持时间起主要作用。从预压阶段后期和保持时间完成前,电极压力一直存在并保持不变。

2 影响焊点强度的主要因素和控制方法

2.1 焊接电流

焊接过程中,焊接电流是产生电阻热并对焊件做功的主要动力,是一个必须严格控制的参数。引起电流变化的主要原因是电网电压波动和交流焊机次级回路阻抗变化。因此,如何控制电网电压波动很重要。

根据对广西柳州市小规模的焊接生产制造商进行调查,其中有部分生产制造商所用变压器容量达不到要求,在大功率设备启动和运行时会导致公司电网电压波动很大,根据常态监控,电压波动值可达到20%甚至更多,这种现象可直接导致焊接电流随电网电压的波动而上下波动。当焊接电流达到设定值时,产生的电阻热能够使焊点熔核长大到合适的尺寸,焊点强度才可以达到要求,但当焊接电流不能满足设定值时,焊接过程由于受冷却水的作用,产生的电阻热很快被传导或被冷却,导致焊点熔核较小,甚至无熔核,此情况会使焊点强度减小而出现脱焊现象。因此,焊接生产中一定要用能够满足工厂运行要求容量的变压器,这需要在工厂建设时就考虑电网供电设计,全厂总降压变电所及配电子系统设计要根据各个车间的负荷数量和性质,生产工艺对负荷的要求,以及负荷布局的要求,并结合国家供电情况进行综合考虑[2]。另外,对大负荷设备采取分时间区域进行开机运行,可以有效减少公司电网电压的波动和电路的老化现象。阻抗变化是因为回路的几何形状变化或因在次级回路中引入不同量的磁性金属,此种现象可以采用直流焊接设备进行生产,避免交流产生的阻抗变化。

2.2 焊接时间

焊点是在稳定的电极压力和电阻热的作用下熔核逐渐长大形成的,为了保证焊点强度,焊接时间必须满足熔核长大到要求的尺寸。在焊点熔核的长大过程,电阻热主要作用在板材接触面的电极压力区内,熔核的温度场如图4所示。可见,熔核的形成是从受温度场影响最大的中心区域开始的,之后随焊接时间的增长而轴向和径向扩大。

参数设定时,焊接时间与焊接电流在一定范围内可以相互补充。为了获得一定强度的焊点,可以采用大电流和短时间焊接,即常说的硬规范,也可采用小电流和长时间焊接,即软规范。选用硬规范还是软规范,取决于金属的性能、厚度和所用焊机的功率。普通的薄板金属,采用软规范即可达到要求。高强钢板(如镀锌钢板),由于其导热性好,软规范焊接过程电极产生的热很快被传导到其他部位,很难形成熔核,因此需要采用硬规范焊接。另外,厚板焊接时层间搭接没有薄板,易实现好的贴合面,需采用一次加压多次焊接,即双脉冲或多脉冲。这种焊接第一个脉冲通常起到预热并软化金属的作用。

2.3 电极压力

电极压力的主要动力源为司服电机和压缩空气,目前笔者所在的工厂及本地区域的制造商均采用压缩空气作为电极压力的能源。工厂气路气体通过焊机减压阀限定压力,再通过焊钳气缸作用,最终导致焊钳两电极相互挤压,对搭接板材形成压力。由于焊钳气缸大小因各焊钳型号不同而不同,因此相同的气压通过不同大小的焊钳气缸对电极形成的压力是不相同的,不能将气管上的气压表读数混淆为电极压力大小,一定要通过专业的电极压力表测量两电极间的压力。

电极压力对两电极间总电阻R有明显的影响,在整个电极压力的作用过程,金属板材的内部电阻变化不大,无需考虑。电极和板材的接触电阻Rew以及板材之间的接触电阻Re会随着电极压力的增大而减小。在一个焊接循环初期,电极压力逐渐增大,板材表面的凸出点被压溃,接触点的数量和面积都随之增加,接触电阻Rew和Re均会变小。

根据在20℃的条件下对不同电极压力作用测得的电阻值可以有效说明这一点,如图5所示。

另外,电极压力在焊点熔核长大的过程也起到非常大的作用。电极与板材边缘金属接合面受压力作用,加热时达到塑性温度区形成塑性环,在焊点熔核的形成和长大过程中紧紧包围着液态金属,防止了液态金属在加热及压力作用下向板缝中心飞溅,并避免了外界空气对高温液态金属的侵袭,有效提高焊点强度。因此,在焊接过程中选用适当的电极压力,既能有效保证焊点尺寸和焊接强度,又能保证有良好的焊点外观。

2.4 电极头尺寸

电极头尺寸就是常说的电极头修磨尺寸,这是常常被人们忽视的要素。在一个焊接循环中,焊接电流和焊接时间以及电极压力是相对稳定的,即使这些因素没有变化,一旦电极头大小发生变化,也会使焊点质量不稳定。首先,为避免接触电阻产生的电阻热把电极和板材黏接到一起,可以用冷却水冷却电极头,如电极头过大,电极与板材的接触面会增大,会导致焊点散热过快,没有足够的热量使熔核形成和长大。其次,当电极头增大时,由于作用在电极上的压力衡定,电极作用在金属表面的单位面积的压力则会降低。同样,电极头减小时,电极作用在金属表面单位面积的压力则会增大。单位面积的压力增大或减小,都会影响搭接金属板材的接触电阻,从而影响到焊接质量。在焊接生产中,电极会有少量与被焊板材黏连的现象而导致尺寸发生变化,因此要根据实际的焊接生产环境制定要求,焊接焊点达到一定的数量要修磨一次电极头尺寸,以保证焊接质量的稳定性。如焊件表面油污或杂质过多,或采用大电流焊接,通常电极头修磨频次要高于较理想的焊件表面和小电流焊接时。

2.5 冷却介质

目前国内外的焊接设备使用的冷却介质主要为水。影响冷却水冷却质量的因素有冷却水流量和冷却水温度。通常焊接设备冷却水流量达到6 L/min即可,冷却水入口温度低于25℃。日常工作中,人们在更换焊钳中冷却水水针时常忽视它的长度要求,随便把一段水针装上,只要不影响冷却水的流动就行,这种操作方式是错误的。焊钳中的冷却水水针到电极头有一个最合适的距离,通常是电极头直径的1/4。过长会使冷却水流受阻,过短时,虽然冷却水流动畅通,但电极头端部会有一部分冷却水得不到循环。这2种情况都不利于冷却水发挥其冷却作用,会引起焊接设备快速老化和电极头寿命降低,而且冷却效果下降会影响到焊点强度。另外,如果冷却水进水口温度过高,会导致相同流量的冷却水冷却效果达不到要求,同样会加快焊接设备老化,降低焊点强度。

2.6 焊接电流分流

焊接过程中,焊接电流通过两电极以外的地方形成循环,通常是相临近的焊点或焊钳臂与被焊接的板材接触。焊接电流分流会减少电流的有用功,焊点电流密度达不到相应的强度,产生热量不够,两板材金属无法形成熔核或形成熔核小,从而影响到焊点强度。因此,在工艺设计时要考虑实施焊接过程中可能产生的电流分流,选用操作空间合适的焊钳,两焊点之间的距离不得小于12 mm,最好焊点布置距离为30～50 mm。

3 合格焊点的验证方法

高质量的焊点能够承受较大的载荷,能使2层或多层板材完全熔合并黏接在一起。用试片检查时,在受到拉力或反复的剪切边后,被分离的2块试片中一片上有圆孔,另一片上有圆凸台,圆孔或圆凸台达到规定尺寸即认定焊点合格。厚板或淬火材料有时不能撕出圆孔和凸台,但可以通过剪切的断口判断熔核的直径。当检查试片时发现板与板之间没有完全熔合,只用很小的力就能把板材拉开,说明焊点起不到连接作用,也就是焊接生产中常遇到的焊点脱焊或虚焊现象。这样的焊点强度很小,无法承受赋予它的工作压力。

4 结语

通过对焊接生产中影响焊点强度的常见因素进行分析可知,在焊接生产中要想制造出结构稳定、强度满足要求的零件,需要控制的因素很多,而且要从工厂的设计阶段开始考虑其中的某些因素,并且在工艺确定时综合考虑各种影响因素,通过反复验证和分析,得出最稳定的参数组合,最终达到输出高质量的焊点强度,满足客户的安全需求。

摘要：文章介绍了车身焊接中焊点的形成过程和影响焊点强度的常见因素,并且介绍了针对这些影响因素的控制方法。

关键词：车身焊接,焊点强度,影响因素,控制方法

参考文献

[1]戴绍基.工厂供电[M].北京:机械工业出版社,2002.

焊点模拟 篇5

利用计算机控制技术,在专门的驱动控制电路及专用驱动控制软件支持下,形成一种有实物介入的手弧焊高仿真训练系统。如图1所示。

在实施仿真焊接时,通过测量仿真焊钳与焊件(液晶显示屏)距离(电弧的长度)换算而成仿真焊机的工作电流。根据测得的电流、仿真焊钳移动速度以及预设的焊条直径等参数,从PC数据库中读取相应的图像,并按一定规则显示在液晶显示屏上,形成焊道(焊点)图像。并调用防护面罩上液晶显示屏控制驱动电路中弧光显示程序,并在防护面罩的液晶显示屏上显示模拟弧光。因此需要建立各种工况下的焊点数据。本文主要介绍焊点数据的建立方法。

2 焊点数据库建立

2.1 数据建立的基本原理是

焊条直径一旦确定,则焊点数据与电流成对应关系。因此可按焊条材料,建立不同焊条直径的各种电流下的焊点图形数据库。数据库地址编码规则,可以采用焊条直径代码+寻址监测电流代码方式,也可以可以采用焊条直径代码和寻址监测电流代码进行与运算方式。焊点图形通过实验的方法取得。同一直径的焊条焊点数据库分为引弧、稳定工作、焊穿、灭弧(熄弧)四个区域。如图2所示。例如,选择焊条直径为2mm,电流为50A时对应①位置,51A对应②位置,53A对应③位置。

引弧区域与手工电弧焊引弧过程相对应。常用的引弧方法有划擦法和敲击法两种,如图3所示。焊接时将焊条端部与焊件表面通过划擦或轻敲接触,形成短路,然后迅速将焊条提起2~4mm距离,电弧即被引燃。若焊条提起距离太高,则电弧立即熄灭。

在本系统中可通过软件判断仿真焊钳,从接触屏幕(工件)到使电弧稳定燃烧时的距离及所用的时间来确定。

稳定工作区域是指焊接过程中能使电弧稳定燃烧所对应的焊接电流区域,即手工焊焊条的操作运动阶段。此阶段焊条应向前倾斜70~80º,合理的电弧长度约等于焊条直径,合适的焊接速度应使所得焊道的熔宽约等于焊条直径的两倍,焊速太高时焊道窄而高,波纹粗糙,熔合不良,焊速太低时,熔宽过大,焊件容易被烧穿。

焊穿区域是指当电流过大或移动速度过小时,将工件焊穿的工况。可通过软件判断仿真焊钳与屏幕的距离、单位时间内仿真焊钳与焊缝的基点(定位参照点)位移变化来确定电弧长度及焊速。

灭弧(熄弧)区域与电弧的熄灭操作过程相对应。在焊接过程中,电弧的熄灭是不可避免的。灭弧操作方法有多种。常用的方法有两种,一是将焊条运条至接头的尾部,焊成稍薄的熔敷金属,将焊条运条方向反过来,然后将焊条拉起来灭弧;二是将焊条握住不动一定时间,填好弧坑然后拉起来灭弧。在本系统中可通过软件判断仿真焊钳距屏幕(工件)距离来确定。

2.2 数据库图形采集基本方法

数据库焊点图形通过实验的方法取得。

2.2.1 实验主要器材

交流弧焊机、焊钳、铁板(2mm)、焊条等常用焊接设备;高精度电流表、电压表,高精度电流传感器、电压传感器及电流电压实时存储记录设备;三台高速高清数字摄像机及高清数字图像采编存储计算机。高精度电流传感器、电压传感器及用于采集焊接时实时电流、电压数据的存储记录设。一架摄像机主要用于采集焊接时焊道(熔池)形成图像,另一架摄像机主要用于采集焊接时焊弧长度,第三架摄像机主要用于采集焊接时焊条移动速度、运条及引弧、灭弧图像。

2.2.2 实验方法

首先给3台摄像机配备滤光片,并调至50帧/秒高速高清录像格式,将设备连接并调试至运行状态,由熟练手工电弧焊技师按照规范操作。按焊点数据库要求同步采集记录引弧、稳定工作、焊穿、灭弧四个过程的电流、电压数据、焊道(熔池)形成、焊弧长度、焊条移动速度、运条图像。对电流、电压数据、焊弧长度、焊条移动速度图像进行分析,找出焊接电流与焊弧长度、焊条移动速度的对应关系。确定当保持焊弧长度不变,焊条移动速度过快或过慢对电流影响,及对焊道(熔池)形成图像的影响,找出电流与焊道(熔池)形成图像的对应关系。用专用软件将录像分成帧,将与检测电流对应的效果好的帧图像进行修正制作,形成焊点图像。焊点图像分别存放在相应的位置,形成焊点数据库。实验时焊接电流级数取得越小,数据焊点图像制作越精致,则数据库越精确。

2.2.3 引弧数据库焊点图形采集

引弧是手工电弧焊最基本的操作,对初学者十分重要。如上所述,手弧焊主要有两种引弧方法,但引弧机理相同,即将焊条端部与焊件表面接触,形成短路,然后迅速将焊条提起2~4mm距离,电弧即被引燃。

分析实验中引弧过程数据,找出两种不同引弧方法的瞬间短路及电弧稳定燃烧时电流数值,以及电流变化规律。确定引弧过程电流与焊点成像对应规律。以此为基础建立引弧数据库。用同样方法采集灭弧数据。

2.2.4 稳定工作(运条)数据库焊点图形采集

运条是手弧焊使焊过程,焊弧长度、焊条的移动速度、焊条运动形式影响焊接质量。运条数据需采集:

(1)采用合理的焊弧长度、焊条移动速度、焊条运动形式焊接过程中电流数据及电流与焊点成像对应规律;

(2)当焊条移动速度、焊条运动形式保持不变,焊弧长度变化时电流数据及电流与焊点成像对应规律;

(3)当焊弧长度不变,焊条移动速度、焊条运动形式变化时电流数据及电流与焊点成像对应规律;

(4)当焊弧长度不变,焊条移动速度过慢,出现焊穿现象时电流数据及电流与焊点成像对应规律;

(5)当焊弧长度不变,焊条移动速度过快,出现断火现象时电流数据及电流与焊点成像对应规律;

(6)当焊条移动速度不变,焊弧长度增加,出现断火现象时电流数据及电流与焊点成像对应规律;

(7)当焊条移动速度不变,焊弧长度减小,出现焊穿现象时电流数据及电流与焊点成像对应规律。

3 结语

分析实验中引弧、运条过程数据,找出焊接电流与焊弧长度、焊条移动速度的对应关系。确定引弧过程电流与焊点成像对应规律。以此为基础建立引弧数据库。对电流、电压数据、焊弧长度、焊条移动速度图像进行分析,确定当保持焊弧长度不变,焊条移动速度过快或过慢对电流影响,及对焊道(熔池)形成图像的影响,找出电流与焊道(熔池)形成图像的对应关系。

参考文献

[1]梁森,王侃夫,黄杭美等主编.自动检测与转换技术[M].北京:机械工业出版社,2006(02).

[2]陈志恒,胡宁等主编.汽车电控技术[M].高等教育出版社,2008(04).

[3]伍广主编.焊接工艺[M].北京:化学工业出版社,2009(04).

焊点模拟 篇6

关键词：随机振动,疲劳寿命,焊点,可靠性,混装组件

0 引言

一般来说, 导致封装焊点失效的主要原因有两个:一个是低周期热疲劳 (温度冲击) , 另一个是高周期机械疲劳 (如冲击、跌落、振动等载荷) 。目前, 对封装器件焊点低周期热疲劳已进行了大量的研究[1,2]。随着电子产品的快速发展, 混装组件的组装密度越来越密集, 器件焊点间距也越来越小, 由于电子产品的使用环境要求高, 除了受热应力外, 器件还要受到振动冲击作用, 这将加剧组装焊点的弹性和塑性变形, 使得疲劳损伤快速积累并最终导致焊点甚至整个电子产品失效[3]。特别是军用产品服役期间的环境更恶劣, 其可靠性要求更高, 因此掌握器件焊点的动态特性、疲劳特性、失效模式以及从焊点应力应变分布来研究焊点的失效模式显得尤为重要。

1 混装组件有限元[4]模型

1.1 等效模型及材料参数

本文研究的混装组件为双面板, PCB尺寸为200mm×120mm×1.2mm。焊点等效模型包括BGA类鼓状焊点等效模型、QFP和SOP类翼形引脚等效模型、PLCC类J型引脚等效模型。

等效模型中各类型的材料性能参数如表1所示。

1.2 边界条件及载荷条件

本文采用四孔固支定位方式对混装组件进行随机振动条件下的动态响应分析。在PCB板上的4个定位孔内表面所有节点上施加全约束, 这与实际服役过程相吻合。文中采用GJB150.16-86《军用设备环境试验方法振动试验》中“第8类随机振动环境—喷气式飞机振动环境”加速度PSD谱, 如图1所示。

2 随机振动分析

混装组件中心节点位置PSD响应谱说明组件的振幅主要受低阶固有频率影响, 同时振动变形呈现为低阶模态振型。研究表明, 混装组件位移变形主要发生在Z方向上, 因此只需提取Z方向位移和应力、应变云图。混装组件整体模型Z方向的位移云图见图2, 应力、应变云图见图3。

3 不同类型焊点应力应变分析

在随机振动条件下, 组件中最容易发生疲劳失效[5,6]的位置是在器件与PCB焊盘连接的起电气互联作用的焊点上, 因此对组件的疲劳特性评估相当于对焊点可靠性分析。分析器件中焊点应力应变分布以及确定焊点危险位置尤为重要, 但由于混装组件整体分析时对器件焊点进行了等效简化处理, 因此只能得到器件上所有焊点应力大致分布情况, 具体单个焊点应力应变精确值及分布规律就无法得到, 只能利用子模型法。本文通过对组件中各种类型各种器件等效焊点应力应变统计, 选取应力应变较大器件进行子模型分析, 所选器件为鼓状焊点类型器件LBGA2025、翼形引脚焊点类型器件TSSOP64和J型引脚焊点类型器件PLCC84。根据等效应力应变云图, 可得到3种类型焊点的位移和应力、应变, 如表2所示。

通过仿真分析可以得到混装组件上不同位置不同类型器件的等效应力应变值, 组件中同一种类型元器件焊点应力应变最大值分别如图4、图5所示。

4 不同类型焊点寿命预测分析

一般疲劳模型曲线均是材料的应变响应峰值与疲劳循环N之间的关系表达式。本文中只考虑焊点弹性变形, 忽略Coffin-Manson方程[7,8]中塑性应变项, 得到Manson经验高周疲劳关系式为:

其中:ε为应变幅值;Su为混合焊料拉伸强度, 取为46.5 MPa;E为混合焊料弹性模量, 取为33.5GPa;N为疲劳循环次数。

然后再根据Miner定律进行疲劳计算, 总体损伤的计算公式为:

其中:v0+为频率;T为时间;N1σ, N2σ, N3σ分别为1σ, 2σ, 3σ应力水平分别对应的许可循环次数。根据式 (1) 和式 (2) , 可以计算出不同类型焊点振动疲劳寿命。经计算, BGA类鼓状焊点振动疲劳寿命为14.18h, 翼形焊点疲劳寿命为8.54h, J形焊点疲劳寿命为8.96h。

5 结论

(1) 混装组件易产生高应力集中的区域为:定位孔附近的小区域、两对称定位孔之间连线区域、通孔集中附近区域、PCB中间位置区域。这些区域是组件抗振薄弱区域。

(2) 位于组件应力集中区的器件TSSOP64、LQFP100、PLCC84焊点等效应力较大, 抗振能力较差;无引脚器件LCC、QFN焊点等效应力普遍较小, 抗振能力较好。

(3) BGA类鼓状混合焊点集中区在最外围拐角处, 焊点等效应力最大, 为危险焊点, 具体位置为焊点底部与PCB焊盘焊接界面边沿处;翼形引脚混合焊点应力集中区为器件一侧焊点最低端或者顶端处第一个, 焊点等效应力最大, 为危险焊点, 具体位置位于焊点内侧镀Sn铜引脚与焊料焊接界面边沿处;J形引脚混合焊点应力集中区为拐角引脚处, 焊点等效应力最大, 为危险焊点, 具体位置为焊点外侧镀Sn铜引脚与焊料焊接界面边沿处。

(4) BGA类鼓状焊点的疲劳寿命最高, 振动可靠性最好;翼形引脚焊点类型器件振动疲劳寿命最低, 振动可靠性最差;J形引脚的焊点疲劳寿命位于两者之间。

参考文献

[1]刘常德, 周德俭, 潘开林, 等.PBGA焊点的热疲劳寿命分析[J].机械强度, 1999, 21 (3) :212-214.

[2]Nguyen Tung T, Lee Dong gun, Kwak Jae B, et al.Effect of glue on reliability of flip chip BGA packages under thermal cycling[J].Microelectronics Reliability, 2010, 50 (7) :1000-1006.

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[4]张洪才.ANSYS 14.0理论解析与工程应用实例[M].北京:机械工业出版社, 2013.

[5]Wang H, Zhao M, Guo Q.Vibration fatigue experiments of SMT solder joint[J].Microelectronics Reliability, 2004, 44:1143-1156.

[6]Kim D H, Elenius P, Johnson M.Solder joint reliability of a polymer reinforced wafer level package[J].Microelectronics Reliability, 2002, 42:1837-1848.

[7]刘芳, 孟光.随机振动载荷下电路板组件三维有限元模拟[J].振动与冲击, 2012 (20) :61-64.