板端連接端子波峰焊焊接傳熱研究

李厚琨，王榮喜，王武軍，毛建偉，杜金奎，尚亞強(qiáng)

（河南天海電器有限公司，河南 鶴壁 458030）

在電子電器行業(yè)，對(duì)產(chǎn)品的集成化和輕量化要求越來越高，這種要求也影響著汽車電子電器產(chǎn)品的發(fā)展方向，使更多的PCB設(shè)計(jì)應(yīng)用到汽車電子電器產(chǎn)品中。與3C行業(yè)電子產(chǎn)品相比，汽車電子電器產(chǎn)品需要傳輸更大的電流和電壓，因此，在汽車電子電器行業(yè)應(yīng)用的板端連接端子會(huì)應(yīng)用到較大規(guī)格的焊接端子。規(guī)格差異較大的端子在同一焊接過程中達(dá)到良好的焊接，對(duì)焊接工藝要求很高。自從電子電器行業(yè)廣泛應(yīng)用PCB設(shè)計(jì)，許多科研工作者和工程師從不同角度對(duì)端子的可焊性進(jìn)行了研究，焊接工藝不斷進(jìn)步［1-3］。但這些研究大都圍繞PCB展開，例如PCB焊盤浸潤(rùn)不良造成焊接不良。近年來，對(duì)于高熱高溫的熔焊?jìng)鳠徇^程有很多研究，建立了一些數(shù)值模擬方法［4］，但關(guān)于電子電器行業(yè)PCB焊接常用的軟釬焊?jìng)鳠徇^程的研究很少。該研究利用有限元法，建立數(shù)值模擬模型，研究板端連接端子在焊接工藝中端子及PCB的傳熱過程。

1 波峰焊焊接工藝

在PCB加工中，常見波峰焊和回流焊兩種焊接方式。波峰焊是熔融的焊錫通過泵的作用形成焊料波峰對(duì)元件進(jìn)行焊接。相比回流焊，波峰焊時(shí)，PCB上爐前并沒有焊料，焊機(jī)產(chǎn)生的焊料波峰把料涂布在需要焊接的焊盤上完成焊接，波峰焊焊接工序更少，更適用于插腳電子元器件。如圖1所示064插針端子和950插片端子均為插腳元器件，采用波峰焊焊接工藝更合適。

波峰焊主要分為助焊劑噴涂、預(yù)熱、焊接、冷卻4個(gè)模塊。

1）助焊劑噴涂系統(tǒng)：在PCB上爐前需噴涂波峰焊助焊劑。波峰焊助焊劑在波峰焊工藝中能夠幫助和促進(jìn)焊接過程，同時(shí)具有保護(hù)作用，阻止氧化反應(yīng)，保證焊盤的浸潤(rùn)性。

2）預(yù)熱模塊：預(yù)熱的主要作用是活化助焊劑，過高或過低的溫度對(duì)助焊劑的活化都是不利的。預(yù)熱溫度應(yīng)到達(dá)100～130℃。

3）焊接模塊：錫缸內(nèi)錫料溫度為290℃，波峰高度應(yīng)達(dá)到PCB板厚的1／3～2／3。

4）冷卻模塊：PCB離開錫缸后，焊錫迅速冷卻為固態(tài)。

2 建立有限元仿真模型

圖1 PCB總成圖

PCB焊接總成包括8個(gè)064插針端子、2個(gè)950插片端子和1個(gè)PCB。一定質(zhì)量的物質(zhì)，在溫度升高時(shí)，所吸收的熱量與該物質(zhì)的質(zhì)量和升高的溫度乘積之比為比熱容。同一種材料在相同情況下比熱容是相同的。064插針端子與950插片端子采用同種材料，則其比熱容和密度一致，升高相同的溫度吸收的熱量與其對(duì)應(yīng)體積成正比。950端子的體積遠(yuǎn)大于064端子，升高相同的溫度，950插片端子比064插針端子吸收的熱量更多。

按照?qǐng)D1所示PCB總成，建立有限元前處理模型［5］。端子材料為H65。PCB是以FR4環(huán)氧玻璃纖維為基板、4層銅箔的多層板。通常說的PCB材料的熱導(dǎo)率指的是材料的厚度方向熱導(dǎo)率，面內(nèi)熱導(dǎo)率大于厚度方向熱導(dǎo)率。FR4環(huán)氧玻璃纖維的厚度方向熱導(dǎo)率典型值為0.23W／m·K。雖然基板的導(dǎo)熱系數(shù)比較小，但由于銅的導(dǎo)熱性能非常好，所以PCB板的綜合導(dǎo)熱系數(shù)為16.5W／m·K。同樣綜合考慮基板和銅箔的比熱容、密度，得出PCB的比熱容、密度，見表1。

表1 材料參數(shù)

焊錫在焊接過程中由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，真正用于端子與PCB焊接的焊錫量很小，將這部分焊錫簡(jiǎn)化為圓柱模型，直徑為與焊盤內(nèi)徑相同，厚度為PCB厚度，焊錫材料為SAC305。

PCB在焊接爐內(nèi)處在強(qiáng)對(duì)流高溫環(huán)境，元器件表面與爐內(nèi)空氣的對(duì)流換熱系數(shù)為20W／m2·K。焊接模塊錫缸內(nèi)的焊錫為液體。在焊錫固化前，液態(tài)焊錫與PCB、端子的接觸性較差，因此焊錫與端子、PCB的接觸熱傳導(dǎo)系數(shù)取104W／m2·K。

板端連接端子焊接傳熱研究，只需建立PCB在預(yù)熱后浸入錫料的傳熱有限元分析模型。助焊劑噴涂過程主要為了噴涂助焊劑，提高焊盤的浸潤(rùn)性，不存在影響PCB和端子焊接的傳熱過程。預(yù)熱過程對(duì)PCB和端子進(jìn)行預(yù)熱，達(dá)到預(yù)熱溫度的總成隨傳送帶進(jìn)入焊接模塊，仿真模型可通過設(shè)置初始溫度，簡(jiǎn)化預(yù)熱過程。

預(yù)熱溫度設(shè)為115℃，即PCB、端子的初始溫度為115℃。一般來說，波峰焊焊接時(shí)間為3～10s，將焊接時(shí)間設(shè)為10s。錫缸內(nèi)焊錫溫度為290℃，焊接時(shí)錫料波峰高度達(dá)到PCB板厚的1／3～2／3，仿真模型簡(jiǎn)化為PCB板厚1／2以下浸入錫料中，設(shè)置其相應(yīng)位置邊界溫度為290℃。

3 仿真結(jié)果分析

根據(jù)電子組件的可接受性標(biāo)準(zhǔn)IPC A-610F WAM 1-2016，板端連接端子的爬錫高度為端子插腳距PCB上表面0.5mm，端子焊接良好。常規(guī)錫膏的焊接溫度為230～250℃。圖2為Ⅰ型950端子PCB總成仿真結(jié)果溫度分布圖。

圖2 Ⅰ型950端子PCB總成仿真結(jié)果溫度分布圖 （紅色區(qū)域?yàn)?40℃，灰色區(qū)域?yàn)椋?40℃）

在0.39s時(shí)，064端子插腳距PCB上表面0.5mm處達(dá)到240℃；在1.47s時(shí)，Ⅰ型950端子插腳距PCB上表面0.5mm處達(dá)到240℃。如圖3所示。

圖3 Ⅰ型950端子和064端子插腳距PCB上表面0.5mm處溫度曲線

圖3 中綠色曲線為064端子插腳距PCB上表面0.5mm處溫度隨時(shí)間變化曲線，紫色曲線為Ⅰ型950端子插腳距PCB上表面0.5mm處溫度隨時(shí)間變化曲線。064端子插腳距PCB上表面0.5mm處，0.39s達(dá)到240℃，0.61s達(dá)到250℃。由于大規(guī)格端子體積較大，大規(guī)格端子相比小規(guī)格端子達(dá)到同樣的溫度需要的時(shí)間更長(zhǎng)。Ⅰ型950端子插腳距PCB上表面0.5mm處比064端子距PCB上表面0.5mm處滯后1.08s到達(dá)240℃，滯后2.1s到達(dá)250℃。從曲線看，錫膏焊接溫度越高，大規(guī)格端子達(dá)到錫膏焊接溫度的滯后時(shí)間越長(zhǎng)。若實(shí)際生產(chǎn)過程中，各種生產(chǎn)因素影響導(dǎo)致錫膏焊接溫度較高或端子溫差增大，導(dǎo)致滯后時(shí)間增長(zhǎng)到大于焊接時(shí)間 （如4s），致使064端子良好焊接，950端子未完成焊接?？梢試L試通過改變端子設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)格端子和小規(guī)格端子溫差縮小，達(dá)到錫膏焊接溫度的滯后時(shí)間縮短。

更改950端子設(shè)計(jì)，將950端子插腳長(zhǎng)度增長(zhǎng) （專利已受理），使插腳靠近PCB上表面區(qū)域的體積減小，提高插腳處傳熱和溫升速度，縮小950端子與064端子在焊接過程中的溫差，縮短達(dá)到錫膏焊接溫度的滯后時(shí)間。更改方案如圖4所示，更改后Ⅱ型950端子仿真結(jié)果溫度分布圖如圖5所示。

圖4 950端子更改方案

圖5 Ⅱ型950端子PCB總成仿真結(jié)果溫度分布圖 （紅色區(qū)域?yàn)?40℃，灰色區(qū)域?yàn)椋?40℃）

更改后，Ⅱ型950端子替代Ⅰ型950端子再次仿真。在0.39s時(shí)，064端子插腳距PCB上表面0.5mm處達(dá)到240℃；在0.93s時(shí)，Ⅱ型950端子插腳距PCB上表面0.5mm處達(dá)到240℃。如圖6所示。

圖6 Ⅰ型950端子、Ⅱ型950端子064端子插腳距PCB上表面0.5mm處溫度曲線

圖6 中綠色曲線為064端子插腳距PCB上表面0.5mm處溫度曲線，曲線未發(fā)生明顯變化；紫色為Ⅰ型950端子插腳距PCB上表面0.5mm處溫度曲線；藍(lán)色為Ⅱ型950端子插腳距PCB上表面0.5mm處溫度曲線。Ⅱ型950端子替代Ⅰ型950端子，明顯減小了950端子插腳與064端子插腳的溫差，縮短了950端子插腳與064端子插腳達(dá)到錫膏焊接溫度的滯后時(shí)間。Ⅱ型950端子相對(duì)于064端子距PCB上表面0.5mm達(dá)到240℃的滯后時(shí)間由更改前1.08s縮短為0.54s，達(dá)到250℃的滯后時(shí)間由原設(shè)計(jì)2.1s減小為1.5s。Ⅱ型950端子替代Ⅰ型950端子仿真結(jié)果顯示，端子插腳越細(xì)越長(zhǎng)，波峰焊焊接時(shí)的爬錫效果越好。通過改善端子插腳設(shè)計(jì)，增加爬錫過程中插腳熱量集中，實(shí)現(xiàn)減小大規(guī)格端子與小規(guī)格端子溫差，縮短大規(guī)格端子插腳與小規(guī)格端子插腳達(dá)到錫膏焊接溫度的滯后時(shí)間，有利于波峰焊焊接工藝調(diào)整，更易使大小規(guī)格端子同時(shí)實(shí)現(xiàn)良好的焊接。

4 結(jié)論

通過建立有限元仿真模型，對(duì)板端連接端子波峰焊焊接傳熱過程進(jìn)行研究，分析不同規(guī)格端子波峰焊焊接過程中溫度變化區(qū)別。改善大規(guī)格端子的插腳設(shè)計(jì)，有效地縮小了大小規(guī)格端子插腳在波峰焊焊接過程的溫差，得出以下結(jié)論。

1）大規(guī)格端子比小規(guī)格端子需要更長(zhǎng)的焊接時(shí)間。

2）波峰焊焊接過程中，大規(guī)格端子與小規(guī)格端子存在溫差和焊接滯后，這種差別可以減小，但無法消除。

3）如果焊接時(shí)間設(shè)置過短，容易造成大規(guī)格端子焊接不良。

4）可通過改變端子設(shè)計(jì)，增加爬錫過程中熱量集中，實(shí)現(xiàn)大規(guī)格端子與小規(guī)格端子溫差縮小，滯后時(shí)間縮短，改善焊接性能。