技术技巧 | 结合PCB板的回流焊过程分析

背景

回流焊技术在电子制造领域并不陌生，我们电脑内使用的各种板卡上的元件都是通过这种工艺焊接到线路板上的，这种设备的内部有一个加热电路，将空气或氮气加热到足够高的温度后吹向已经贴好元件的线路板，让元件两侧的焊料融化后与主板粘结。这种工艺的优势是温度易于控制，焊接过程中还能避免氧化，制造成本也更容易控制。

但也有以下要求：             

（1）预热时保持升温速度             

（2）使所有部件在SOAK时达到所需的温度             

（3）上升到高于熔点的温度

挑战

          

（1）温度的变化取决于PCB             

（2）PCB的温度不均匀             

（3）发生接触不良问题

为了解决上述问题，通过scSTREAM软件详细分析PCB板移动过程中的温度变化，对于回流焊工艺改进提供有利的依据。

分析方法

此类问题有两种分析方法，一种简化的稳态热分析，另一种考虑电路板移动影响下的详细的非稳态分析方法。

第一种简化方法，不考虑电路板的移动，只考虑不同位置下的稳态的热流场分析。这种方法虽然计算成本低，但无法精确考虑电路板附件流场分布，也不能精确分析电路板温度分布。

第二种方法，考虑了电路板的移动，这种方法能够精确捕捉，但反过来计算时间会较长。本次计算采用了第二种方法。

计算条件：

• 烤炉传送速度：5 mm/s

• 加热时间：600 sec

• 加热温度曲线

• 计算模型

     详细的回流焊以及PCB模型

• 物理模型

     考虑湍流，Standard k-ε model

     考虑热以及辐射

     考虑移动物体

• 网格

     500万网格

     布线网格尺寸：0.2mm

网格采用Block Mesh方法，对电路板区域单独加密。这种方法能够有效的减少网格数目。

结果

1， 回流焊炉内温度随时间的变化

从视频中可清晰看到PCB板表面以及附近的流场分布

2， 焊料温度随时间的变化

 PCB板不同地方的温度随时间的变化

3， PCB板温度随时间的变化

从视频中可得到PCB板表面温度随时间的变化过程，同时也能看到PCB板表面温度并非均匀。

4， 不同PCB板部件布置下的温度变化

进一步考虑不同PCB板部件布置的影响，不同部件布置对温度场的变化。

以下所示的是原有布置方案域修改布置方案的示意图。

以上比较了不同布置方案下的温度变化。

同时也比较了FET和Registor两个地方的温度随时间的变化，通过分析能够得到温度曲线的不同。

总结

通过scSTREAM软件详细分析PCB板移动过程中的温度变化，PCB板在不同位置下的流场以及温度场分布，以及所有部件的温度变化。这对于回流焊工艺改进提供有利的依据。

文章来源：MSC大中华区Cradle产品业务发展经理李晶编写