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PCB组件热—力分析的有限元模型及仿真

作　者: 赵健
导　师: 韩国明
学　校: 天津大学
专　业: 材料加工工程
关键词: PCB组件温度场热应力模拟仿真翘曲
分类号: TN41
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
下　载: 342次
引　用: 2次
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内容摘要

在SMT向着高密度、微型化方向发展的今天,印制线路板组装件(PCB组件)高度集成化复杂性的生产要求对再流焊的可靠性提出了巨大的挑战。PCB组件在再流焊过程中的翘曲变形是PCB组件可靠性研究中的重点问题之一,它将导致元件贴装和焊点的失效等问题。因此,利用有限元ANSYS软件对PCB组件再流焊的完整过程进行三维模型仿真,对PCB组件在再流焊过程中受到的热冲击进行更加深入、细致的热-力分析,找出造成翘曲的根本原因,从而避免和减少PCB组件翘曲问题的发生,保证PCB组件的质量,具有非常重大的理论和实际意义。本文通过采用复合材料力学中的层合板基本理论,对PCB板的热应变和热应力进行了分析,建立了在某一约束条件下的层合板翘曲数学模型,并利用有限元法建立了PCB组件在再流焊过程中的温度场和热变形的数学模型。此外,利用有限元ANSYS软件对PCB组件在整个红外再流焊炉中的焊接过程建立了实体模型,进行了PCB组件再流焊全过程的三维动态模拟和仿真。得到以下研究成果:获得了PCB组件在再流焊过程中,随时间变化的温度场分布、翘曲变形情况及应力分布图;通过对PCB组件在再流焊中各温区、各时段的温度场分布、翘曲变形情况和热应力分布进行对比研究,深刻剖析了造成PCB组件变形的根本原因,主要是由于PCB组件组成材料的热膨胀系数不同;在再流焊过程中,PCB组件经历不同的温区加热,温度分布不均匀,又由于PCB板的组成材料FR-4、铜箔和PLCC元件的热膨胀系数不同,致使PCB组件各区域的自由膨胀和收缩受到制约,从而产生了热应力,导致PCB组件在再流焊过程中发生翘曲变形;PCB组件在各个温区加热时,随着时间的推移,PCB组件上的温度场分布发生变化,引起了热应力的变化,从而导致PCB组件在各温区、各时段的翘曲变形大小不同,从再流焊区过渡到冷却区时段的翘曲变形最大,对PCB组件质量的影响最大;并通过以上对PCB组件在再流焊过程中受到的热冲击进行比较透彻的热-力分析,提出了减小翘曲的方法。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章绪论  8-22
  1.1 PCB 组件概述  8-11
    1.1.1 PCB  8-11
      1.1.1.1 PCB 的结构  8
      1.1.1.2 PCB 的分类  8-10
      1.1.1.3 PCB 上的元器件  10-11
  1.2 SMT 再流焊方法  11-14
    1.2.1 SMT 简介  11-12
    1.2.2 SMT 再流焊  12-14
      1.2.2.1 再流焊过程  12
      1.2.2.2 温度曲线的建立  12-14
  1.3 热-力分析建模与仿真的意义  14-16
  1.4 研究发展现状  16-21
  1.5 本文所要研究的内容  21-22
第二章 PCB 组件材料的选取及建模原理  22-29
  2.1 PCB 板建模的材料组成和建模原理  22-25
    2.1.1 PCB 板材料组成  22-23
    2.1.2 PCB 板的建模原理和材料属性  23-25
  2.2 PCB 上元器件建模的材料组成和建模原理  25-26
    2.2.1 PCB 上元器件的材料组成  25
    2.2.2 PCB 上元器件的建模原理和材料属性  25-26
  2.3 焊膏建模的材料组成和建模原理  26-28
    2.3.1 焊膏的材料组成  26-27
    2.3.2 焊膏的建模原理和材料属性  27-28
  2.4 本章小结  28-29
第三章热—力分析的数学模型  29-49
  3.1 利用层合板理论建立热—力分析的数学模型  29-37
    3.1.1 经典层合板理论  29-30
    3.1.2 利用层合板理论建立的热应力分析模型  30-36
    3.1.3 分析讨论  36-37
  3.2 利用有限元法建立热—力分析的数学模型  37-48
    3.2.1 温度场数学模型的建立  37-44
      3.2.1.1 温度场概况  37-38
      3.2.1.2 热传递的基本方式  38
      3.2.1.3 初始条件和边界条件  38-41
      3.2.1.4 温度场的泛函表达式  41-44
    3.2.2 热应力的数学模型  44-48
      3.2.2.1 热应力概述  44-45
      3.2.2.2 热弹性理论基本方程  45-47
      3.2.2.3 热应力的有限元方程  47-48
  3.3 本章小结  48-49
第四章 PCB 组件再流焊过程的建模与仿真  49-84
  4.1 ANSYS 软件介绍  49-50
    4.1.1 ANSYS 软件的分析方法  49
    4.1.2 ANSYS 软件的APDL 编程  49-50
  4.2 模拟PCB 组件再流焊过程的仿真分析  50-82
    4.2.1 ANSYS 模拟方法的选择  50-51
    4.2.2 建立几何模型  51-55
    4.2.3 进行热分析求解计算  55-64
    4.2.4 应力分析求解计算  64-82
  4.3 减小PCB 组件翘曲变形的方法  82
  4.4 APDL 参数化在本课题中的运用和优点  82-83
  4.5 本章小结  83-84
第五章结论  84-85
英文缩写索引  85-86
参考文献  86-88
硕士期间发表论文  88-89
致谢  89

PCB组件热—力分析的有限元模型及仿真

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