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摘要：電子元件由于具有重量輕、體積小等特點(diǎn)，會(huì)使其單位體積內(nèi)產(chǎn)生很多的熱量，所以需對(duì)由于熱量而引起的電子元件失效問題加以關(guān)注。同時(shí)，電子元件的這種特點(diǎn)對(duì)其組裝密度提出了更高的要求，使得如何保證焊錫質(zhì)量成為一個(gè)日漸重要的問題。焊接過程當(dāng)中的操作不當(dāng)很有可能會(huì)使焊錫產(chǎn)生氣泡，從而影響電子元件的熱傳導(dǎo)性。本文采用基于ANASYS的有限元分析，建立了一種空調(diào)中電子元件的三維模型，采用“生死單元”技術(shù)來模擬電子元件焊錫中不同大小和不同位置的氣泡情形，并進(jìn)行熱傳導(dǎo)的模擬計(jì)算。結(jié)果證明：當(dāng)氣泡占焊錫體積達(dá)到4/49的時(shí)候，氣泡對(duì)電子元件熱傳導(dǎo)的影響開始明顯化；當(dāng)氣泡在焊錫邊緣的時(shí)候，對(duì)電子元件的熱傳導(dǎo)影響更大。

關(guān)鍵詞：焊錫；氣泡；電子元件；熱傳導(dǎo)

一、引言

近幾年，電子設(shè)備逐漸微型化，電子封裝密度也有了很大的提高，這就使得熱設(shè)計(jì)愈加重要。電子元件由于具有重量輕、體積小等特點(diǎn)，會(huì)使其單位體積內(nèi)產(chǎn)生很多的熱量，使得溫度成為影響多芯片組件以及電子元器件可靠性的一個(gè)很重要的因素[1，2]。此外，電子產(chǎn)品由于具有“輕、薄、短、小”等特點(diǎn)，這就對(duì)電子元器件的微型化以及組裝密度提出了更高的要求，使得如何保證焊錫質(zhì)量成為一個(gè)日漸重要的問題。焊錫質(zhì)量和可靠性決定了電子元件的質(zhì)量，但當(dāng)焊接操作不當(dāng)?shù)臅r(shí)候會(huì)使焊錫產(chǎn)生很多氣泡，這就會(huì)對(duì)電子元件的溫度傳導(dǎo)以及分布產(chǎn)生很大的影響。

二、有限元模型

（一）元件結(jié)構(gòu)

整個(gè)電子元件從上到下總共有8層，分別是密封膠、芯片、熱擴(kuò)展層、無錯(cuò)焊錫、電路圖案、熱絕緣層以及基板[3]。芯片分別位于基板的不同位置，焊錫層厚度都是0.05mm。加熱的對(duì)象是加熱芯片，熱邊界條件為：加熱后15s開始對(duì)加熱芯片加熱，使其溫度從293K升到403K；內(nèi)部各種材料建議傳導(dǎo)方式進(jìn)行傳熱，并且服從傅里葉傳熱定律；在模型的外部，當(dāng)進(jìn)行加熱時(shí)要使密封膠的上表面同基板的下表面通過與空氣自然對(duì)流進(jìn)行散熱，并保證周圍環(huán)境絕熱。對(duì)流傳熱主要服從牛頓冷卻定律，周圍空氣溫度取293K，對(duì)流的換熱系數(shù)取10W/（m2·K）。圖1為電子元件的平面視圖、加熱芯片以及各芯片的截面視圖。

圖1 EC的平面視圖和芯片界面視圖

（二）有限元模型

圖2為用ANASYS建立的三維模型圖和網(wǎng)格劃分圖：

圖2 EC有限元模型和EC內(nèi)部模型

模型中的部件進(jìn)而材料屬性如表1：

表1 模型組成和材料屬性

三、模擬實(shí)驗(yàn)

（一）“生死單元”技術(shù)

主要采用有限元方法來研究焊錫當(dāng)中氣泡的大小以及位置對(duì)電子元件熱傳導(dǎo)所產(chǎn)生的影響，其中采用了有限元當(dāng)中的生死單元技術(shù)。生死單元就是在模型當(dāng)中加入或者刪除材料，從而使模型當(dāng)中相應(yīng)的單元“生”或者“死”。若想實(shí)現(xiàn)“單元死”的效果，要將其剛度矩陣同一個(gè)很小的因子相乘[4]。此時(shí)，死單元的阻尼、質(zhì)量、載荷、熱比容以及其他類似的效果都會(huì)被設(shè)為零，這就能利用“殺死單元”來模擬不同大小和不同位置的氣泡，而避免每次都重新建立模型，從而有效節(jié)省計(jì)算量。

（二）氣泡模擬

為方便模擬，本文將氣泡形狀統(tǒng)一為長(zhǎng)方體，并忽略氣泡當(dāng)中空氣的傳熱。高溫焊錫部分（有氣泡及無氣泡時(shí)）的有限元模型圖如圖3所示，按照氣泡在整個(gè)高溫焊錫的體積所占比：無氣泡（圖3（a））、占1/49（圖3（b））、4/49（圖3（c））、6/49（圖3（d））以及9/49（圖3（e）），氣泡在焊錫的中間位置；氣泡占焊錫體積比為4/49（圖3（f）），在焊錫邊緣位置。

圖3 高溫焊錫當(dāng)中氣泡大小和位置模擬

四、結(jié)果分析

（一）由溫度分布圖來觀察氣泡對(duì)熱傳導(dǎo)的影響

氣泡所在的那個(gè)部位單元被殺死，不能直接觀察氣泡所在的位置的溫度情況，這對(duì)傳熱結(jié)果的觀察非常不利。在模擬當(dāng)中，使用GLUE命令來連接高溫焊錫層和熱擴(kuò)展層。由ANASYS理論可知，這兩層會(huì)有一個(gè)公共邊界，也就是接觸面（即熱擴(kuò)展層上表面和高溫焊錫層的下表面共同的區(qū)域部分），而且節(jié)點(diǎn)在接觸面上會(huì)對(duì)應(yīng)重合，這就會(huì)使熱擴(kuò)展層的上表面溫度成為高溫焊錫層下表面熱傳導(dǎo)的一個(gè)直接的結(jié)果。所以可以選擇熱擴(kuò)展層上表面加以分析，這不僅有利于高溫焊錫和熱擴(kuò)展層接觸面的觀察，還有利于氣泡正下方部位的觀察，從而直接觀察到氣泡對(duì)熱傳導(dǎo)的影響。

同氣泡大小和位置相對(duì)應(yīng)，在進(jìn)行加熱到15s的時(shí)候，熱擴(kuò)展層上表面的溫度分布如圖4所示：

圖4 高溫焊錫下表面溫度分布圖

最高溫度區(qū)域，也就是顏色最深的區(qū)域以及氣泡正下方區(qū)域的溫度值如表2所示：

表2 熱擴(kuò)展層進(jìn)而焊錫層接觸面的高溫區(qū)及氣泡正下方區(qū)域溫度值

由圖4和表2可知：同無氣泡相比，當(dāng)氣泡在中間區(qū)域、氣泡比為1/49的時(shí)候，圖形上不存在明顯的差異，但在最高溫度上會(huì)有不同，氣泡會(huì)使溫度下降大概0.3K；當(dāng)氣泡比為4/49的時(shí)候，可以明顯觀察到區(qū)間內(nèi)的溫度值有所降低，至氣泡比達(dá)到9/49的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)低于最高溫度的溫度區(qū)間，這表明氣泡對(duì)傳熱影響逐漸增強(qiáng)；當(dāng)氣泡在邊緣位置的時(shí)候，氣泡對(duì)傳熱的影響要高于中間區(qū)域的氣泡。

圖5 熱擴(kuò)展層上節(jié)點(diǎn)11828和節(jié)點(diǎn)11835

（二）從節(jié)點(diǎn)溫度來觀察氣泡影響

為了有效觀察氣泡對(duì)焊錫熱傳導(dǎo)的影響，本文選擇熱擴(kuò)展層上的兩個(gè)固定節(jié)點(diǎn)11828和11835在圖4中的6種情形下的溫度分別加以比較。其中節(jié)點(diǎn)11828在焊錫層和熱擴(kuò)展層接觸面的靠近中間位置，而節(jié)點(diǎn)11835在兩層接觸面的邊緣位置，如此在圖3（b）至圖3（e）情形下，節(jié)點(diǎn)11828在氣泡的正下方，圖3（f）時(shí)，節(jié)點(diǎn)11835在氣泡的正下方。熱擴(kuò)展層上的節(jié)點(diǎn)11828和節(jié)點(diǎn)11835的位置如圖5所示，同圖3當(dāng)中的6種情形相比，節(jié)點(diǎn)11828和11835溫度值分別如表3和表4所示：

表3 節(jié)點(diǎn)11828的溫度值

表4 節(jié)點(diǎn)11835的溫度值

由表3可知，當(dāng)氣泡在高溫焊錫的中間位置的時(shí)候，氣泡對(duì)熱傳導(dǎo)的影響會(huì)隨著氣泡體積的增大而增強(qiáng)，當(dāng)氣泡比例達(dá)到4/49時(shí)氣泡的影響開始發(fā)生很明顯的變化。通無氣泡的情形相比，當(dāng)氣泡比例為9/49的時(shí)候氣泡在垂直下方區(qū)間的溫度降低最高可以達(dá)到4.5K。由表3和表4可知，對(duì)比（c）和（f），對(duì)節(jié)點(diǎn)11835來講，氣泡在邊緣位置會(huì)比在中央位置時(shí)的溫度低大概3K，而對(duì)節(jié)點(diǎn)11828來講，氣泡在邊緣位置會(huì)比在中央位置時(shí)溫度高大概2K。因此，當(dāng)氣泡大小相同而所在位置不同時(shí)，氣泡在焊錫的邊緣位置會(huì)對(duì)熱傳導(dǎo)產(chǎn)生更大的影響。

五、總結(jié)

本文結(jié)果證明，焊錫中氣泡對(duì)電子元件的熱傳導(dǎo)會(huì)產(chǎn)生如下影響：電子元件的熱傳導(dǎo)能力會(huì)隨著氣泡的增大而逐漸降低。由圖4可知，當(dāng)氣泡體積比例達(dá)到4/49的時(shí)候，氣泡影響開始有明顯的變化，氣泡垂直下方部位的溫度很快下降；和無氣泡相比，當(dāng)氣泡比為9/49時(shí)，溫度降低最高可達(dá)到4.5K。當(dāng)氣泡大小不變的時(shí)候，氣泡在邊緣部位的時(shí)候同在焊錫中間位置相比，會(huì)對(duì)熱傳導(dǎo)產(chǎn)生更大的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1] 宋文明.電子元件熱應(yīng)力有限元分析[D].上海交通大學(xué)，2008.

[2] 李家賢，謝豪駿.導(dǎo)熱裝置及其熱熔焊錫方法：CN，CN102039466 B[P].2012.

[3] 丘克強(qiáng)，周益輝.一種高效回收廢棄印刷電路板焊錫的工藝及裝置：，CN101362143 A[P].2009.

[4] 宋文明，李鴻光.焊錫中氣泡對(duì)電子元件熱傳導(dǎo)的影響[J].電子元件與材料，2007，第10期：70-73.