PCB變形的建模與仿真----

1、印刷電路板在回焊過程中變形的建模與仿真 摘要在SMT中，回焊是非常重要的工站。在回焊過程中受到熱沖擊已成為印刷電路板(簡稱為PCB)組件生產(chǎn)過程中產(chǎn)生缺陷的主要原因之一。PCB組件組成材料不同，熱膨脹系數(shù)等熱性能參數(shù)相差較大，容易產(chǎn)生翹曲變形等缺陷，造成元器件和PCB之間的電氣和物理連接失敗，導(dǎo)致整個(gè)PCB組件失效。而由于傳統(tǒng)的,經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)、反復(fù)調(diào)整來改進(jìn)回焊工藝的方法既費(fèi)時(shí)又耗費(fèi)大量實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，不能適應(yīng)當(dāng)前電子產(chǎn)品更新速度快、競爭日益激烈的需求，在這一背景下，焊接工藝的建模與仿真、預(yù)測與控制研究引起了廣泛的關(guān)注。模擬仿真可以識別在回焊過程中的溫度變化以及確定其對生產(chǎn)質(zhì)量的影響;對回焊溫度曲線的

2、設(shè)定使設(shè)計(jì)者根據(jù)PCB熱分布重新排布組件從而使產(chǎn)品設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)化。 本文利用有限元法對PCB組件在回焊過程中的受熱進(jìn)行分析，建立瞬態(tài)溫度場和應(yīng)力場模型。用ANSYS軟件對PCB組件在回焊過程中由于受熱產(chǎn)生的熱機(jī)械反應(yīng)進(jìn)行了模擬和建模，得出了溫度場以及應(yīng)力場的分布。由于PCB組件組成材料的熱物理性能不同，以及經(jīng)過不同的溫區(qū)加熱，模擬了不同時(shí)刻整個(gè)PCB組件的溫度場分布。建立了一個(gè)貼裝了3個(gè)PLCC的4層PCB板物理簡化模型，模擬了在三種約束條件下，該組件在回焊過程中受熱沖擊時(shí)，產(chǎn)生的熱應(yīng)力及熱變形。選取PCB上3個(gè)點(diǎn)，得到了在三種約束下面位移和離面位移的位移量，即在底面對角兩點(diǎn)約束下面位移和離面

3、位移的位移量最大;底面4頂點(diǎn)約束下面位移和離面位移的位移量其次;底面兩對邊約束下面位移和離面位移的位移量最小。通過仿真可對回焊溫度曲線進(jìn)行優(yōu)化，使得PCB組件得到比較均勻的溫度場分布，并調(diào)整對PCB的約束，使得變形最小化。關(guān)鍵詞:回焊;熱應(yīng)力;建模;溫度場;仿真;,Modelling and simulating for PCB Deformed in refolw solderingAbstract of thesis Reflow soldering is very important technics in SMT. Thermal impact to PCBA during reflo

4、w soldering is considered one of the main drivers for manufacturing defects. The materials making up a PCBA is various, and the thermal property of the materials is also different ,this may cause some defects for example wargpage. Excessive warpage in the PCB may result in gaps forming between the m

5、odule leads and the molten solder on the solder pads, then the failure of electronically and physical connection lead to PCBA's defect. The traditional approach of experimentally analysing production defects would be costly and virtually impossible, and can't reach the demand of the producer

6、 for the fast renovation and the acute competition. An alternative to this approach is to derive computational and numerical models that encapsulate representations of the key process physics, so that effect analysis of the pertinent process variables may be examined. The application of the modellin

7、g and simulation to a sample PCBA has been carried out to explore how undue variations in the reflow temperature can be minimized by a number of different strategies. It has been shown that simple movements of components can have quite beneficial effects on the overall process thermal history of the

8、 PCB. The paper use finite element analysis method analysis the thermal impact of PCBA during the reflow soldering ,and building the temperature and stress distribution model. The paper model and simulate the thermal warpage of PCBA during reflow soldering , get the temperature and stress distributi

9、on of PCBA. This paper simulate the temperature distribution of PCBA under the condition of the material making up PCBA is different ,and PCBA will go through different oven section, building a simple physical model of a 4-layer PCB with 3 PLCCs to simulate the thermal stress and warpage of PCBA und

10、er three constrained conditions, when the PCBA go through the oven sections. Compared the surface displacement and the Zaxis displacement of three points on the PCB under the three constrained condition to get the result of following. The thermal warpage happened under the constrained conditions of

11、the two points on the cross were constrained is large than that happened under the constrained conditions of the four points were constrained . the constrained conditions of the two sides were Simulation warpage is constrained. Optimize and the temperature minimized by adjusting,the temperature figu

12、re is attainable through the distribution of PCBA is more uniform, also the constrained condition. KEYWORD: refolw soldering; thermal stress; modeling temperature field; Simulation;目錄摘要 . 1Abstract . 1目 錄 . 2第一章 緒論 .31. 課題背景意義 . 32. 國內(nèi)外研究概況 . 33. 研究思路及方法 . 4第二章 PCB組件概述 . 52.1 PCB簡介 . 5 2.1.1 PCB的分類

13、. 5 2.1.2 PCB的材料組成 . 6 2.1.3 PCB的制造流程 . 72.2 PCB組件 . .82.3 小結(jié) . 8第三章PCB理論分析與建模. 123.1溫度場數(shù)學(xué)模型的建立 . 123.1.1 溫度場概況 . 123.1.2 熱傳遞的基本方式 . 123.1.3 初始條件和邊界條件 . 133.1.4 溫度場的泛函表達(dá)式 . 153.2熱應(yīng)力的數(shù)學(xué)模型 . 19 3.2.1 熱應(yīng)力概述 . 19 3.2.2 熱彈性理論基本方程 . 20 3.2.3 熱應(yīng)力的有限元方程 . 223.3 小結(jié) .23第四章 PCB組件的建模與仿真 . 24 4.1 建模以及仿真步驟 . 24 4

14、.2 仿真結(jié)果及分析. 42 4.3 小結(jié) . 44第五章:總結(jié)與展望 . 45 致謝. 46 參考文獻(xiàn) . 47附錄 . 48第一章 緒論1課題背景及意義在SMT中，回焊是非常重要的工站。在回焊過程中受到熱沖擊而變形已成為PCB組件生產(chǎn)過程中產(chǎn)生缺陷的主要原因之一。PCB組件組成材料不同，熱膨脹系數(shù)等熱性能參數(shù)相差較大，容易產(chǎn)生翹曲變形等缺陷，造成元器件和PCB之間的電氣和物理連接失敗，導(dǎo)致整個(gè)PCB組件失效。而由于傳統(tǒng)的方法是經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)、反復(fù)調(diào)整來改進(jìn)回焊工藝,這樣的方法既費(fèi)時(shí)又耗費(fèi)大量實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，不能適應(yīng)當(dāng)前電子產(chǎn)品更新速度快、競爭日益激烈的需求，在這一背景下，焊接工藝的建模與仿真、預(yù)測

15、與控制研究引起了廣泛的關(guān)注。模擬仿真可以識別在回焊過程中的溫度變化以及確定其對生產(chǎn)質(zhì)量的影響;對回焊溫度曲線的設(shè)定使設(shè)計(jì)者根據(jù)PCB熱分布重新排布組件從而使產(chǎn)品設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)化也是有用的。同時(shí)，模擬仿真也可以使得回焊爐以及更具熱效率的設(shè)備的設(shè)計(jì)得到優(yōu)化。通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)達(dá)到可以通過大量試驗(yàn)獲得較多資料來建模，繼而在后續(xù)時(shí)間里可以向仿真方面發(fā)展。使本司的生產(chǎn)能適應(yīng)當(dāng)前電子產(chǎn)品更新速度快、競爭日益激烈的需求.富士康科技集團(tuán)是以臺灣鴻海精密工業(yè)股份有限公司為主體的跨國企業(yè)集團(tuán)，主要生產(chǎn)計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通訊、消費(fèi)電子等高科技關(guān)鍵零組件及系統(tǒng)產(chǎn)品，近年來挾其制造專長與Apple、Intel、Cisco、HP、

16、Dell、IBM、Sony等國際頂尖客戶結(jié)成了策略聯(lián)盟，已發(fā)展成為全球最大的計(jì)算機(jī)連接器、計(jì)算機(jī)準(zhǔn)系統(tǒng)生產(chǎn)廠商。2000年開始，富士康正式切入移動(dòng)通信領(lǐng)域，并迅速成為全球領(lǐng)先的移動(dòng)通信企業(yè)諾基亞及摩托羅拉的重要策略伙伴之一。富士康科技集團(tuán)自成立以來，年年業(yè)績大幅提升。從2002年起，富士康連續(xù)6年蟬聯(lián)中國大陸出口200強(qiáng)第一，2005年榮登美國<<財(cái)富>>500強(qiáng)排行榜。這一系列成長數(shù)字的背后與富士康超強(qiáng)的生產(chǎn)及管理能力有著密不可分的關(guān)系。 本文將從富士康現(xiàn)場生產(chǎn)的實(shí)踐出發(fā),探討解決SMT生產(chǎn)中PCB變形的方法。2. 國內(nèi)外研究概況SMT工藝建模與仿真研究，包含錫膏印刷

17、、貼片、回焊等工藝建模與仿真研究。在AMT組裝的錫膏印刷的建模與仿真研究方面，S H Mannan (1994年)與A 0 Ogun j imi (1995年)進(jìn)行了研究。此處有使用到參考文獻(xiàn)6;7;8,桂林電子工業(yè)學(xué)院的黃春躍，周德儉等對細(xì)微間距器件焊點(diǎn)形態(tài)成形進(jìn)行了建模與預(yù)測。此處有使用到參考文獻(xiàn)9,他們利用液態(tài)鉛料潤濕理論、最小能量原理等焊點(diǎn)形態(tài)相關(guān)的理論和方法，在己知鉛料量、鉛料性質(zhì)和接觸角等焊點(diǎn)形態(tài)參數(shù)情況下，采用Surface Evolves交互式軟件，基于最小能量原理建立了在表面勢能、重力勢能不外力勢能作用下的QFP焊點(diǎn)三維形態(tài)成形模型，對QFP焊點(diǎn)形態(tài)主要參數(shù)進(jìn)行了預(yù)測。運(yùn)用建

18、立的QFP焊點(diǎn)三維形態(tài)成形模型，分析了相關(guān)因素(鉛料量、間隙高度、重力、引腳位移)對QFP焊點(diǎn)三維形態(tài)的影響，得出了以下結(jié)論; 1) 鉛料量、間隙高度、引腳位移是影響四焊點(diǎn)三維形態(tài)的關(guān)鍵因素; 2)重力對四焊點(diǎn)三維形態(tài)影響微弱，可以忽略，鉛料量的多少是橋接缺陷出現(xiàn)與否的關(guān)鍵因素，控制錫料量是避免該缺陷產(chǎn)生的有效途徑; 3)可利用所建立的QFP器件焊點(diǎn)形態(tài)成形模型可以對鉛料量的控制進(jìn)行實(shí)際指導(dǎo)，以避免橋接缺陷的出現(xiàn); 4)引腳與焊盤間隙高度發(fā)生變化時(shí)，將會影響引腳的是否潤濕會造成釬料不足或焊點(diǎn)不完整，從而引起焊點(diǎn)的初期失效; 5)基于最小能量原理的QFP焊點(diǎn)三維形態(tài)建模和有限元方法，能有效地對Q

19、FP類焊點(diǎn)形態(tài)進(jìn)行預(yù)測，并可以根據(jù)預(yù)測結(jié)果，對實(shí)際的QFP焊點(diǎn)形態(tài)設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)。 除了上述在加熱機(jī)理的基礎(chǔ)上，建立包括焊接爐結(jié)構(gòu)，元器件類型與材料，傳熱方式等相關(guān)內(nèi)容在內(nèi)的回焊工藝模型的方法之外，還存在另一種方法:基于統(tǒng)計(jì)程控(SPC: Statistical Process Control)原理，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集記錄自動(dòng)分析儀，并以此為基礎(chǔ)建立回焊工藝模型。該方法思路是設(shè)計(jì)一溫度采集系統(tǒng)，分別在空載、負(fù)載條件下，通過多組正交實(shí)驗(yàn)采集在不同的工藝環(huán)境下的數(shù)據(jù)，形成實(shí)際的溫度曲線，運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，對比分析在不同的工藝環(huán)境下實(shí)際的溫度曲線與設(shè)計(jì)曲線之間的關(guān)系，從而得出設(shè)計(jì)溫度曲線與實(shí)際溫度曲線以及

20、各工藝環(huán)境參數(shù)與實(shí)際溫度曲線之間的關(guān)系。一方面，該系統(tǒng)可作為回焊的在線監(jiān)測與控制系統(tǒng);另一方面，可以獨(dú)立于回焊爐，進(jìn)行回焊焊接溫度曲線的預(yù)測與設(shè)定此處有使用到參考文獻(xiàn)1.2;3;4;5;10;11;12;13;14;15;16;3研究思路及方法1、 研究內(nèi)容本課題的研究主要針對PCB在回焊過程中發(fā)生的變形加以分析，并通過大量的試驗(yàn)及在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題收集相關(guān)的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)利用數(shù)學(xué)建模。以便在后續(xù)工作中能及時(shí)的解決該類問題。適應(yīng)當(dāng)前電子產(chǎn)品更新速度快、競爭日益激烈的需求2、 研究路線和技術(shù)方案本文將對PCB組件在回焊過程中受到的熱沖擊及其它形變進(jìn)行分析，擬用有限元法建立PCB的瞬態(tài)溫度場、應(yīng)力

21、場的數(shù)學(xué)模型。對PCB組件在回焊過程中受熱產(chǎn)生的變形進(jìn)行模擬并進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，后續(xù)將進(jìn)行仿真，期望得到以下結(jié)果: (1)合適的回焊溫度曲線，以及各時(shí)刻PCB面上的溫度分布; (2) PCB組件各時(shí)刻的應(yīng)力場分布，以及PCB熱變形情況; (3) PCB面上三點(diǎn)的面位移和離面位移。 目前所有的電器都象集成化，小型化發(fā)展，這其中都要用到PCB，而在SMT生產(chǎn)中PCB的變形一直是一個(gè)困擾SMT行業(yè)的老問題，研究PCB變形對了解產(chǎn)品的生產(chǎn)過程和提高產(chǎn)品質(zhì)量有很大意義。通過本次設(shè)計(jì)，可以對PCB及SMT的生產(chǎn)有一個(gè)很深的認(rèn)識，注意到設(shè)計(jì)及試驗(yàn)中的某些細(xì)節(jié)問題，了解其工作原理；通過對數(shù)學(xué)建模的學(xué)習(xí)，可以對PC

22、B的變形做簡單的數(shù)學(xué)建模，從而有效的提高以后工作效率和解決問題的能力。第二章PCB組件概述2. 1 PCB簡介 PCB也就是印刷電路板(Printed circuit board)，泛指表面和內(nèi)部有導(dǎo)體圖形的絕緣基板，其基本功能是搭載電子元器件(包括屏蔽組件)并實(shí)現(xiàn)其間的電氣連接。由于需要承受搭載元器件時(shí)的熱量和溫升以及元器件的重量等，PCB對電路電性能、熱性能、機(jī)械強(qiáng)度和可靠性都起著重要作用。PCB的基板是由絕緣隔熱、并不易彎曲的材質(zhì)所制成。在表面可以看到的細(xì)小線路材料是銅箔，原本銅箔是覆蓋在整個(gè)板子上的，而在制造過程中部份被蝕刻處理掉，留下來的部份就變成網(wǎng)狀的細(xì)小線路了。這些線路被稱作導(dǎo)線

23、(conductor pattern),而此種作業(yè)則稱為布線，是用來提供PCB上零件的電路連接。為了將零件固定在PCB上面，需將它們的引腳直接焊在導(dǎo)線上。在最基本的PCB(單面板)上，零件都集中在其中一面，導(dǎo)線則都集中在另一面。PCB的正反面分別被稱為零件面(Component Side)與焊接面(Solder Side)。如果 PCB某些零件，需要在PCB制作完成后可以拔插時(shí)會用到插座(socket)。而插座是直接焊在板子上的。例如Z工F (Zero工nsertion Force,零插拔力式)插座,它可以讓零件(這里指的是CPU)可以輕松插進(jìn)插座，也可以拆下來。插座旁的固定桿，可以在您插進(jìn)零

24、件后將其固定。 PCB上的綠色藍(lán)色或其它顏色，是阻焊漆(solder mask)的顏色.這層是絕緣的防護(hù)層，可以保護(hù)銅線，也可以防止零件腳之間行成橋接造成短路不良。在阻焊層上另外會印刷上一層絲網(wǎng)印刷面(sick screen)。通常在這上面會印上文字與符號(大多是白色的也有黃色或其它顏色)，以標(biāo)示出各零件在板子上的位置。絲網(wǎng)印刷面也被稱作文字面。2.1.1 PCB的分類 PCB的分類方法很多，從基板的結(jié)構(gòu)看，可按導(dǎo)體層數(shù)、絕緣板材料的剛?cè)岢潭?、?dǎo)體材料、最終表面處理方式等分類。按層數(shù)分別主要有以下幾種。 單面板(Single-Sided Boards) 在最基本的PCB上，零件集中在其中一面，

25、導(dǎo)線則集中在另一面上。因?yàn)閷?dǎo)線只出現(xiàn)在其中一面，所以就稱這種PCB叫作單面板(Single-Sided)。因?yàn)閱蚊姘灞容^簡單,目前只有少數(shù)電器在執(zhí)行簡單的程序時(shí)才使用,例如:電視機(jī),PCB點(diǎn)測機(jī)(主要測其OPEN/SHORT)等 雙面板(Double-Sided Boards) 這種電路板的兩面都有布線。要用上兩面的導(dǎo)線，必須要在兩面間有適當(dāng)?shù)碾娐愤B接。這種電路間的“橋梁”叫做導(dǎo)孔(via)。導(dǎo)孔是在PCB上鍍一層金屬(一般為銅)的小孔，它可以與兩面的導(dǎo)線相連接。因?yàn)殡p面板的面積比單面板大了一倍，而且因?yàn)椴季€可以互相交錯(cuò)(可以繞到另一面)，它更適合用在比單面板更復(fù)雜的電路上。多層板使用數(shù)片雙面

26、板,并在每層板間放進(jìn)一層絕緣層(PP)后壓合。板子的層數(shù)就代表了有幾層獨(dú)立的布線層,通常層數(shù)都是偶數(shù),并且包含最外側(cè)的兩層。大部分的主機(jī)板都是4到8層的結(jié)構(gòu)，技術(shù)上可以做到近100層的PCB板。大型的超級計(jì)算機(jī)大多使用相當(dāng)多層的主機(jī)板，因?yàn)檫@類計(jì)算機(jī)可以用許多普通計(jì)算機(jī)的集群代替，所以超多層板的用量已經(jīng)漸漸萎縮了。 (圖2-1任天堂USG游戲機(jī)主板) (圖2-2內(nèi)層切片,6層板) 在多層板當(dāng)中，如果只想連接其中一些線路.那么導(dǎo)孔可能會浪費(fèi)一些其它層的線路空間。埋孔(Buried vias)和盲孔(Blind vias)技術(shù)可以避免這個(gè)問題，因?yàn)樗鼈冎淮┩钙渲袔讓?。盲孔是將幾層?nèi)部PCB與表面P

27、CB連接，不須穿透整個(gè)板子。因?yàn)槁窨讋t只連接內(nèi)部的PCB，所以從表面是看不出來的。在多層PCB中，整層都直接連接上地線與電源。將各層分類為信號層(Signal)，電源層(Power)或是地線層(Ground)。如果PCB上的零件需要不同的電源供應(yīng)，通常這類PCB會有兩層以上的電源與地線層。 從基板的絕緣材料看，可按有機(jī)系(樹脂系)、無機(jī)系(陶瓷系、金屬系)及復(fù)合系分類; 有機(jī)系的分為紙基板:紙酚醛樹脂覆銅板(FR-1, FR-2)、紙環(huán)氧樹脂覆銅板(FR-3)等; 玻璃布基板:玻璃布環(huán)氧樹脂覆銅板(FR-4, G10)、玻璃布耐高溫環(huán)氧樹脂覆銅板(FR-5, G11)等; 復(fù)合材料基板:環(huán)氧樹

28、脂覆銅板(CEM-1)、聚酷樹脂覆銅板(CRM-7, CRM-8)等; 耐熱性塑性基板:聚醚酮樹脂基板、聚醚酞亞胺樹脂基板等; 撓性基板:聚酷覆銅膜基板、玻璃布一環(huán)氧樹脂覆銅積層板等; 積層多層板基板:感旋旋光性樹脂(液態(tài)、干膜)、熱固性樹脂(液態(tài)、干膜) Aft、才。 無機(jī)系的分為金屬類基板:金屬基型、金屬芯型和包覆金屬型等;陶瓷類基板:氧化鋁基板(M203),碳化硅基板(Sic)等;其它基板:玻璃基板(用于LCD, PDP顯示器等)、硅基板和金剛石基板。2.1.2.PCB的材料組成 制造基板的主要原材料有銅箔、增強(qiáng)材料(玻璃纖維布、芬香族聚酞胺纖維無紡布)等，它們對基板材料的性能，起到至關(guān)

29、重要的作用。 按制造工藝不同，銅箔可分為壓延銅箔(rolled copper foil)和電解銅箔 (electrode deposited copper foil, ED)兩大類。 1、壓延銅箔 壓延銅箔是將銅材經(jīng)輥軋而成的。因?yàn)樗哪驼坌詢?yōu)良，彈性模量高，經(jīng)熱處理韌化后仍可保留的延展性大于電解銅箔等優(yōu)點(diǎn)，所以非常適用于制作撓性覆銅板。 2、電解銅箔 電解銅箔是通過專用電解機(jī)連續(xù)生產(chǎn)出初產(chǎn)品(稱為毛箔)，毛箔再經(jīng)表面處理(單面或雙面處理)，得到最終產(chǎn)品。按電解銅箔的厚度劃分，目前市場上常見的有9m, 12m, 18m, 35m, 70m規(guī)格。為了適應(yīng)PCB技術(shù)發(fā)展需求，目前國外已可以批量生產(chǎn)

30、帶有載體9m厚的銅箔(3m, 5m).。在有機(jī)封裝基板上常用的電解銅箔厚度規(guī)格有12m, 18m , 35m, 70m厚。壓延銅箔與一般電解銅箔的主要特性對比見表2-1壓延銅箔與一般電解銅箔的主要特性對比.特性項(xiàng)目壓延銅箔電解銅箔 (一般型)無氧銅箔韌性銅箔銅箔厚度 / m18; 3518; 3512; 18; 35; 70抗張強(qiáng)度 Pa( 2325 ) × 102( 2227 ) × 103( 2838 ) × 103延伸率 / %6276221020硬度(韋氏)10510595MIT 耐折性 / 次縱 155 / 橫 106縱 124 / 橫 101縱 93

31、/ 橫 97彈性模量 / Pa11.8×101011.8×10106.0×1010質(zhì)量電阻系數(shù) / ( g/m2 )0.15320.15320.1594表面粗糙度 Ra/ um0.10.21.5 表2-1壓延銅箔與一般電解銅箔的主要特性對比 還有另一個(gè)重要的材料是玻璃纖維布。玻璃纖維布(簡稱玻布)由玻璃纖維紡織而成的。PCB用玻布基板材料，所用的是電子級(又稱為E型)玻布。另外還有D型或Q型(低介電常數(shù))、S型(高機(jī)械強(qiáng)度);H型(高介電常數(shù))的玻璃纖維布。 一般環(huán)氧玻璃布的基板材料包括環(huán)氧玻璃布基覆銅箔板和多層印制電路板生產(chǎn)用基材(內(nèi)芯薄型環(huán)氧玻璃布基覆銅箔板、

32、環(huán)氧玻璃布的半固化片)。PCB用一般環(huán)氧玻璃布基覆銅箔板(CCL)，有G-10, G-11, FR-4, FR-5四類CCL.其中G-10, G-11為非阻燃型的基材;FR-4, FR-5為阻燃型的基材。目前世界范圍內(nèi)，F(xiàn)R-4基材(包括CCL和多層板用半固化片)的用量，占整個(gè)玻璃布基基材總量的90%以上。一般FR-4覆銅板的增強(qiáng)材料，采用E型平紋玻璃纖維布。常用型號為7628, 2116, 1080三種。其中7628型布用量最大。所用的銅箔，是經(jīng)鍍鋅或鍍黃銅處理的電解粗化銅箔。常用銅箔厚度規(guī)格為0.018mm, 0.035mm, 0. 070mm三種。國外還少量采用了0.009mm, 0.0

33、012mm薄銅箔。 除此之外還有一些具有纖維增強(qiáng)的、高玻璃化溫度、低熱膨脹系數(shù)、低介電常數(shù)性樹脂的基板材料，目前在有機(jī)封裝基板制造所用基材中，占有十分重要地位。也是今后重點(diǎn)發(fā)展的一類基材。已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化、較普遍應(yīng)用于封裝基板的這類基板材料所用樹脂，主要有聚酞亞胺樹脂(P工)、BT樹脂、PPE樹脂以及高性能環(huán)氧樹脂(EP)等。 2. 1.3 典型多層PCB制造流程2.2. PCB組件 在SMT中PCB表面貼裝的組件稱為表面組裝組件(Surface MountComponent SMC)或者表面組裝器件(Surface Mount Device SMD)。元器件內(nèi)的芯片載體有兩種主要類型:陶瓷和塑料

34、24。塑料芯片載體主要用于民品;陶瓷封裝的密封性好，主要用于軍品。陶瓷封裝常見的有無引線陶瓷芯片載體(leadlessceramic chip carrier LCCC)和有引線陶瓷芯片載體(leaded ceramic chipcarrier LDCC)。陶瓷芯片載體通常是由90 % -96%的氧化鋁或氧化被基構(gòu)成。芯片載體也由單層和多層兩種。塑料封裝是非軍事應(yīng)用中使用最廣泛的一種封裝。陶瓷封裝存在由于封裝與基板間CTE不匹配而造成焊點(diǎn)斷裂的問題，而塑料封裝不存在這種問題。塑料封裝常有的電子產(chǎn)品有小外形晶體管(small outline transistor SOT), J引線塑封芯片載體(

35、plastic leaded chip carrier PLCC)等。塑料有引線芯片載體(PLCC)是一種廉價(jià)的陶瓷芯片載體。PLCC中的引線提供了一種可塑性以緩解焊點(diǎn)應(yīng)力，從而防止焊點(diǎn)斷裂。 本文對貼裝了3個(gè)PLCC組件的4層PCB板進(jìn)行建模與仿真，,PCB尺寸為長200mm，寬180mm，整塊板由FR4-7628與銅箔壓制而成，所用的銅箔，是經(jīng)鍍鋅或鍍黃銅處理的電解粗化銅箔。銅箔最后一層為1/2 Oz其它三層銅箔為1Oz，其中1/2 Oz為0.035mm, 1 Oz為0.070mm, PCB總厚度為1. 525mm。如圖2一1。貼上組件后，示意圖如圖2-2。 PLCC的組成材料有Si芯片、

36、塑料基板等，為簡化仿真過程，取單一的數(shù)值來表示PLCC組件的材料物理性能。本課題所要用到的PCB組件各材料若物理性能如表2-2到表2-7及曲線圖2-3到圖2-8所示，來自Farhad Sarvar, Paut P. Conway以及Sandeep Mittat,Gtenn YMasada的文獻(xiàn)。2.3小結(jié) 本章介紹了PCB的分類方法以及主要組成材料。在本課題研究中所采用的PCB的基板材料為FR4-7628阻燃型環(huán)氧樹脂玻璃布和經(jīng)鍍鋅或鍍黃銅處理的電解粗化銅箔;所用的焊膏為Sn90Pb10。在文中給出了這些材料的各種隨溫?zé)嵛锢韰?shù)，為PCB熱場的分析和PCB在熱場中變形的模擬和仿真提供了基礎(chǔ)條件

37、。外層銅面內(nèi)層銅泊基材圖2-1 4層PCB板內(nèi)層結(jié)構(gòu)示意圖圖2-2 PCB組件仿真示意圖表2-2 FR-4隨溫度變化的比熱值溫度 3070120240 250FR-4 比熱 ( J/Kg. )12001380150016501600表2-3 PLCC隨溫度變化的比熱值溫度 4080160170220225230250PLCC 比熱( J/Kg. )7408508809609701050920900表2-4 銅箔隨溫度變化的熱膨脹系數(shù)溫度 2777127177227銅箔的 CTE ( m/ )16.65e-616.70e-617.12e-617.51e-617.85e-6表2-5 FR-4隨溫度

38、變化的熱膨脹系數(shù)溫度 27374757130220FR-4的CTE ( m/ )13.62e-614.19e-614.77e-615.38e-631.62e-673.6e-6表2-6銅箔隨溫度變化的彈性模量溫度 30100140150190220彈性模量 Pa6.58e96.82e94.8e93.75e93.4e93.42e9表2-7 Sn90Pb10鉛料隨溫度變化的彈性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)溫度 265075100125彈性模量 Pa19.1e921.1e912.1e999.5e955.7e9泊松比 u0.3830.3850.390.3970.4CTE ( m/ )25.6e-625.8e

39、-626.9e627.3e-628.7e-6 圖2-3 FR-4 隨溫度變化的比熱值 圖2-4 PLCC隨溫度變化的比熱值圖2-5銅箔隨溫度變化的熱膨脹系 圖2-6 FR-4隨溫度變化的熱膨脹系數(shù) 圖2-7銅箔隨溫度變化的彈性模量 圖2-8 Sn90Pb10鉛料隨溫度變化的彈性模量圖2-9 Sn90Pb10鉛料隨溫度變 圖2-10 Sn90Pb10鉛料隨溫 的泊松比 度變化的熱膨脹系數(shù)第三章PCB數(shù)學(xué)建模的理論分析3.1溫度場數(shù)學(xué)模型的建立3.1 .1溫度場概況 物質(zhì)的熱脹冷縮現(xiàn)像是人們早已熟知的，工程中的許多結(jié)構(gòu)和部件常常工作于溫度變化的情況。如果由于溫度變化而產(chǎn)生的脹縮受到結(jié)構(gòu)或部件的外部

40、或內(nèi)部約束的限制而不能自由進(jìn)行，那么這些結(jié)構(gòu)或部件內(nèi)將產(chǎn)生熱應(yīng)力。因此，要研究物體的熱應(yīng)力就必須首先知道物體中的溫度場。溫度場是指某一瞬間，空間 (或物體內(nèi))中所有各點(diǎn)溫度分布的總稱,溫度場是個(gè)數(shù)量場，可以用一個(gè)數(shù)量函數(shù)來表示。一般說，溫度場是空間坐標(biāo)和時(shí)間的函數(shù)，即T=f(x, y, z, t ) (3-1)式中， x, y, z為空間直角坐標(biāo); t 為時(shí)間。為了確定物體內(nèi)的溫度場，必須建立起溫度場的通用方程，也就是導(dǎo)熱微分方程。建立導(dǎo)熱微分方程所用的方法為能量守恒的方法，即定義一個(gè)微分控制體積，判明有關(guān)的能量傳遞過程，并對微元控制體列出能量平衡方程，從而得出導(dǎo)熱微分方程: (3-2)式中:

41、T為溫度(); k為材料的導(dǎo)熱系數(shù)(W/m.); t為過程進(jìn)行的時(shí)間(s) ; C為材料的比熱容(J/kg .); P為材料的密度(kg /M3) ; q為內(nèi)熱源的發(fā)熱率 (W/s)，如果物體無內(nèi)熱源微分方程則變?yōu)?(3-3)整個(gè)微分方程的意義即為單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入單位體積的熱量必然等于單位時(shí)間該單位體積內(nèi)物質(zhì)的內(nèi)能增量。在回焊過程中，式(3-3)中，p, c和k是材料的密度、比熱容和熱導(dǎo)率，它們是溫度的函數(shù)，其值隨溫度的變化而不同。物體中的溫度場的確定還依賴于熱傳遞問題(包括傳熱方式有熱傳導(dǎo)，熱對流，熱輻射等)的解決。3.1.2熱傳遞的基本方式1、熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)可以定義為完全接觸的兩個(gè)物體之間或一

42、個(gè)物體的不同部分之間由于溫度剃度而引起的內(nèi)能的交換.熱傳導(dǎo)遵循付里葉定律: ,式中 為熱流密度(W/m2), k為導(dǎo)熱系數(shù)(W/m.)，“一”表示熱量流向溫度降低的方向。 2、熱對流 熱對流是指固體的表面與它周圍接觸的流體之間，由于溫差的存在引起的熱量的交換。熱對流可以分為兩類:自然對流和強(qiáng)制對流。熱對流用牛頓方程來描述: =h (TS-TB)，式中h為對流換熱系數(shù)(或稱膜傳熱系數(shù)、給熱系數(shù)、膜系數(shù)等);Ts為固體表面的溫度;TB為周圍流體的溫度。 3、輻射 熱輻射指物體發(fā)射電磁能，并被其它物體吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬臒崃拷粨Q過程。物體溫度越高，單位時(shí)間輻射的熱量越多。熱傳導(dǎo)和熱對流都需要有傳熱介質(zhì)，而

43、熱輻射無須任何介質(zhì)。實(shí)質(zhì)上，在真空中的熱輻射效率最高。 在工程中通?？紤]兩個(gè)或兩個(gè)以上物體之間的輻射，系統(tǒng)中每個(gè)物體同時(shí)輻射并吸收熱量。 它們之間的凈熱量傳遞可以用斯蒂芬一波爾茲曼方程來計(jì)算: q=1F12(T41-T42),式中q為熱流率; :為輻射率(黑度); 為斯蒂芬一波爾茲曼常數(shù)，約為5. 67 X 10-8W/m2. K4; Al為輻射面1的面積; F12為由輻射面1到輻射面2的形狀系數(shù); T1為輻射面1的絕對溫度;T2為輻射面2的絕對溫度。由上式可以看出，包含熱輻射的熱分析是高度非線性的。3.1.3初始條件和邊界條件 要求解瞬態(tài)溫度場不僅要給定邊界條件，還要給出初始條件，這樣才能由通解中找出具體問題的特解。 1.初始條件 初始條件是初始時(shí)刻溫度場的分布狀況，一般情況下Tt=t0=T(x, y , z ) (3-4)若在初始時(shí)刻，溫度場內(nèi)溫度處處相同，則初始條件為Tt=t0=T0 (3-5)2.邊界條件邊界條件描述的是溫度場在邊界上的狀