基于焊点形态理论的SMT焊点虚拟成形技术及其应用_周德俭

第20卷　第4期桂　林　电　子　工　业　学　院　学　报V o l.20,N o.4　2000年12月JOURN AL OF GUILI N I N S TITUTE OF ELECTRONIC T ECHNOLOGY Dec.2000　
基于焊点形态理论的SM T焊点
虚拟成形技术及其应用
周德俭,潘开林,覃匡宇,黄春跃
(桂林电子工业学院机电与交通工程系,广西桂林　541004)
摘　要:在介绍SM T焊点形态理论和焊点虚拟成形技术基本概念的基础上,论述了该技术在SM T元
器件结构设计、SM T产品组装工艺设计和组装质量检测等领域中的应用原理及方法。

关键词:表面组装技术;焊点虚拟成形技术;焊点形态;焊点可靠性
中图分类号:T G404 文献标识码:A 文章编号:1001-7437(2000)04-78-05
引言
表面组装技术(SM T:Surface Mount Technolo-g y)已发展到微组装、高密度组装新阶段。

它使电子产品的微型化成为可能,随之也带来了一些技术难题。

例如其焊点日趋微小,且既要承担机械连接、又要承担电气连接,可靠性问题相当突出,如何保障SM T 产品焊点可靠性是目前迫切需解决的新课题。

保障焊点可靠性的主要途径是二条,一是焊点相关结构的合理设计;二是焊点组装成形过程的质量控制。

传统的焊点相关结构设计方法,一般均借助于经验积累或标准来确定焊点相关结构材料、尺寸等参数,焊点质量信息必须通过样品实验获得,具有设计周期长、成本高等缺陷。

传统的SM T产品焊点组装质量检测与控制技术,一般均为借助于检测仪器的焊点质量实际检测、统计、分析、反馈、工艺参数调整形式的串行操作,具有质量反馈信息滞后、实时性差、调整时间长等缺陷。

特别是对于难以在线直接检测的微组装焊点,以及对于为适应多品种小批量组装生产而建立的SM T产品FM S和CIM S,传统的组装质量检测与控制形式已很难适应其高效组装生产的需要[1]。

基于焊点形态理论的SM T焊点虚拟成形技术,是将焊点形态理论与三维焊点计算机辅助成形设计、有限元应力应变分析、结构优化设计等技术和方法相结合,并借助计算机仿真技术和虚拟现实技术,将SM T焊点成形过程通过计算机进行模拟和仿真,进行产品投产前的、非实际生产状态下的焊点结构参数和工艺参数优化设计工作[2]。

该技术和方法的实现及其发展,将使SM T焊点质量隐患消除在产品设计过程中、消除在产品投入组装生产前成为可能。

1　SM T焊点形态理论
1.1　SM T焊点形态和焊点形态设计的概念
焊点形态一般是指元器件焊脚与印制电路板(PCB)焊盘焊接结合处,熔融钎料沿金属表面湿润铺展所能达到的几何尺寸,以及与金属表面接触角和钎料圆角形态。

简单点说,是焊点成形后的外观结构形状。

由于焊点形态与焊接引脚和焊盘的几何尺寸及形状、钎料性质、焊接温度等因素紧密相关,因此,它又具有进一层的含义。

为此,焊点形态设计包含焊点形态几何参数设计,也包含元器件焊脚和PCB焊盘几何尺寸和几何形态设计,以及与焊点形态和焊接可靠性相关的PCB材料、焊接温度、助焊剂等内容的选择和设计。

不同种类的焊点具有不同的焊点形态,图1(a)为无引脚表面贴装元件(SM C)与PCB接合的焊点形态二维模型示意图。

其焊点形态的主要参数有钎料在焊端金属表面的接触角θ1,钎料在焊盘金属表面的接触角θ2,圆角高度h和圆角长度l等。

图1(b)为相应的三维形态模型示意图,l,b,h分别为焊点的长、宽、高。

收稿日期:2000-07-06
作者简介:周德俭(1954-),男,浙江金华人,桂林电子工业学院机电与交通工程系教授,博士,主要从事SM T,CNC,CAC/CAM方面研究.
图1　焊点二维、三维形态模型示意图
1.2　SM T 焊点形态预测与控制理论及焊点形态CAD
大量的研究表明:焊点形态与焊点的力学行为紧密相关,直接影响焊点的性能和可靠性。

对焊点的力学行为进行研究,揭示焊点形态与应力分布状态以及变形的对应关系,可达到预测和控制焊点形态并对焊点进行可靠性优化设计的目的[2]。

焊点形态C AD 的基本思想如图2所示。

给出焊
点形态的有关设计参数(如焊脚和基板焊盘的几何尺寸、材料强度数据等),利用焊点形态预测模型计算出相应的焊点形态,在该基础上利用可靠性问题的分析方法,考察形态焊点在热/机械加载条件下的应力应变分布、蠕变和疲劳寿命、界面电阻等。

如具有一定形态的焊点不满足其性能的要求,则改变焊点形态有关参数,重复上述过程,最终获得形态合理而且满足性能设计要求的焊点形态[3]。

图2　基于应力解析的SM T 焊点形态预测模型
2　SM T 焊点虚拟成形技术
[2]
2.1　SM T 焊点虚拟成形的基本概念
焊点虚拟成形是将焊点形态预测控制和C AD 方法与计算机三维造型设计、仿真技术相结合;将焊点形态形成过程用计算机予以动态显示和展现;将焊点形态C AD 过程的单纯参数修正进化为参数修正与焊点形态图形修正相结合的过程动态修正;将焊点形态结构参数的单一修正进化为包含焊点成形焊接工艺参数修正的多参数修正;并辅以计算机虚拟工艺环境现实、人机对话交互式操作界面等技术手段使其更面向工艺实际;所对应的软件是含有优化评价专家系统的智能型多参数焊点形态仿真优化软件。

焊点虚拟成形技术是焊点形态CAD 技术的延伸,但它把焊点形态结构参数的优化设计和焊点成形工艺参数的优化设计并重处理,与生产实际更加相
近。

焊点形态CAD 一般以最佳理想形态为目标函
数,假设工艺参数(钎料参数、焊接温度等)为理想值,面向设计进行以结构参数(焊盘尺寸、引脚结构尺寸等)为主的优化设计;焊点形态虚拟成形技术以实际可达的合理形态为目标函数,面向工艺过程进行以焊点结构参数和焊接工艺参数并重的优化设计。

所以,它是一种基于焊点形态理论的、虚拟现实工艺环境下的焊点CAD 技术。

2.2　SM T 焊点虚拟成形技术的基本原理
基于焊点形态理论的SM T 焊点虚拟成形技术原理可表示成如图3所示。

焊点虚拟成形软件的输入内容为焊点形态初拟参数和与焊点形态相关的
PCB
、焊接钎料、SM C /SM D 及其引脚类型和确定的或可调整的各类工艺参数;软件主体内容为焊点成形、焊点应力应变解析和疲劳寿命计算、优化评价专家系统和支撑上述三大内容的工艺现实环境的仿真;
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第4期 周德俭等:基于焊点形态理论的SM T 焊点虚拟成形技术及其应用
运行结果将是合理形态下的各类已优化参数数据和三维形态图形;运行过程中将显示焊点三维形态随相
关参数调整修正的变化状况。

图3　SM T 焊点虚拟成形技术原理图
图4示意了应用SM T 焊点虚拟成形软件分析PBGA (塑料球栅阵列)器件焊点形态时,焊点三维形态随钎料体积变化而变化的状况[5]。

图中V 为钎料体积(m m 3
)、W 为焊点最大径向尺寸(mm ),该例中上、下焊盘尺寸固定并相等。

根据类似的虚拟成形和
分析,可以得出焊点形态与各种参数之间的相互关系,并可在已形成的焊点形态三维图形基础上建立有限元分析模型,对焊点的应力应变状况和寿命进行预测分析[6]。

图4　焊点高度固定情况下钎料体积对焊点形态的影响对比图
3　SM T 焊点虚拟成形技术的应用和
拓展
3.1　SM T 焊点虚拟成形技术的基本应用
应用SM T 焊点虚拟成形技术和相关CAD 软件,可以对SM T 元器件的引脚、PCB 焊盘等结构参数进行优化设计;可以对钎料、引脚材料、焊盘材料等材料参数及其热匹配性进行优化设计;可以对钎料量、焊接温度等组装工艺参数进行优化设计;可以对焊点进行应力应变分析和寿命预测分析。

在上述基本应用方面,作者及其课题组成员已做了大量的研究工作,SM T 焊点虚拟成形技术的基本思想已得以实现,详细内容可参阅文献[2～7]等。

3.2　SM T 产品虚拟组装技术
[8]
SM T 产品虚拟组装技术是SM T 焊点虚拟成形技术的拓展。

它利用计算机仿真技术,对采用SM T 的PCB 电路模块组装生产过程进行模拟仿真;利用
焊点形态理论、方法和焊点虚拟成形技术为基础对SM T 产品焊点质量进行分析和评价;是以SM T 产品焊点质量为优化目标,面向PCB 模块制造过程工
艺参数优化的虚拟制造技术。

焊点虚拟成形技术仅仅考察了一个孤立焊点的成形过程和形态状况,虚拟组装技术以此为基础,全面考察SM T 产品组装过程的各类工艺参数(包括焊点之间、元器件之间的相互影响,组装工艺参数的影响等)对焊点形态及其焊点质量的影响;并将SM T 元器件的结构设计与产品的组装工艺设计结合为一体;将产品的设计和制造研究结合为一体。

所以,它体现了产品并行设计和面向组装制造设计的思想,是一种以合理焊点形态也即最佳焊点质量为优化目标的SM T 产品并行设计技术。

基于SM T 焊点形态理论的SM T 产品虚拟组装技术原理如图5所示。

其中初始结构参数主要指元器件和引脚类型及结构尺寸、PCB 焊盘结构类型及尺寸、引脚间距、元器件间距等确定的或待优化的产品
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桂林电子工业学院学报 2000年12月
结构设计参数。

初始工艺参数主要有钎料量、钎料性质、焊接温度、元器件与PCB 间距、环境温度和湿度等已确定的或待优化的组装工艺参数。

形态数据、应
力变形数据、专家评价系统等是据实际组装生产系统状况和组装对象状况不同或变化,可以通过人机界面进行调整和补充的数据库。

图5　原理图
与图3表示的焊点虚拟成形技术原理有明显差别的是,产品虚拟组装技术中的焊点成形、焊点应力应变解析、焊点质量分析评价都是面向产品组装的,
而不是仅仅面向SM T 元器件引脚的结构设计。

所以,它实现后既可用于SM T 元器件的结构优化设计,又可用于SM T 产品组装工艺优化设计和产品可靠性分析。

实现SM T 产品虚拟组装的关键技术有组装工艺环境仿真或虚拟、多参数优化模型及多参数焊点质量评价系统的建立等。

3.3　SM T 焊点虚拟成形技术在焊点质量检测中的应用
[9]
焊点形态与焊点质量具有对应关系,通过对焊点形态的观察可辨别焊点质量和焊点组装故障,基于焊点虚拟成形的SM T 焊点实时检测方法依据这一原理而设计,其方法与自动视觉检测类似。

它利用光学系统和图象处理措施在线实测已成形焊点的形态,由计算机将所获取的焊点实际形态与分析评价专家系统库存的、以焊点虚拟成形技术形成的合理形态进行
比较,快速识别超出容许形态范围的故障焊点,并对其故障类型和故障原因进行自动分析评价,然后形成工艺参数优化调整实时控制信息,进行焊点质量实时
反馈控制,并对分析评价信息进行记录统计等处理。

反映这一思想的结构原理如图6所示。

基于焊点形态虚拟成形的焊点质量检测方法优于自动视觉检测、超声波检测、红外激光检测等方法的地方有三点:一是其比较标准,是具有理论依据的合理形态,其科学性、确定性强;二是可使用计算机通过焊点虚拟成形等技术产前建好焊点形态标准库,事前可备性强、不需依赖实际系统实验;三是不仅能快速检测焊点的外观质量故障,还能根据焊点形态理论快速分析鉴别出大多焊点内部质量问题。

因此,它有实用价值高、很适合应用于SM T 产品组装过程实时检测的特点。

实现焊点形态实时检测与焊点质量反馈控制过程的关键技术有:焊点合理形态生成及建库技术、实际焊点形态图象快速获取及处理技术、焊点质量分析评价专家系统等。

图6　基于焊点虚拟成形的SM T 焊点质量实时检测与反馈
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第4期 周德俭等:基于焊点形态理论的SM T 焊点虚拟成形技术及其应用
4　结束语
基于SM T焊点形态理论的SM T焊点虚拟成形技术和SM T产品虚拟组装技术,以及SM T焊点虚拟成形技术在焊点质量检测中的应用等技术和方法,是作者多年来通过SM T测试技术、SM T焊点形态理论与C AD、SM T组装故障与检测技术等课题研究而形成的一种新构思、新思想。

目前,我们已结合有关研究课题对其展开了研究,并已有一定成果,但离实现或实用尚有一定距离,所以,文中提到的思想和内容肯定有许多不足或错误之处。

仅希望本文提出的思想能起到抛砖引玉的作用,促使国内SM T、微组装技术等相关技术的快速提高和发展。

最后,真诚期望读者对本文不足之处予以批评指正和补充完善。

参考文献:
[1]　Zh ou Dejian,W u Zhaohua,Pan Kailin,Ch en Zich en.Study on
as sembly faults and test control technolog y of SM T[C].CIRP
In eternational Sym posium,Hong Kong:City University of Hong Kong,1997,8
[2]　周德俭.SM T焊点形态理论及C AD技术研究[D].浙江大学博
士学位论文,1998,4
[3]　吴兆华,周德俭,陈子辰.SM T焊点形态应力解析C AD[J].计算
机辅助设计与制造,1996,(8):155-157
[4]　Zhou Dejian,Pan Kailin,Liu Ch angkang.Th e C AD Study on th e
Shpe-Evlving and the Th ermal Reliabil ity of PBGA Solder Joint[J].J ournal of Guilin Ins titute of Electronic Thchnology, 1999,19(1):69-74
[5]　周德俭,潘开林,吴兆华,陈子辰.球栅阵列(BGA)器件焊点形态
成形建模与预测[J].半导体学报,1999,20(1):47-52
[6]　周德俭,潘开林,吴兆华,陈子辰.基于最小能量原理的SM T焊
点三维形态预测[J].电子学报,1999,27(5):66-68
[7]　周德俭,潘开林,刘常康.SM T焊点形态成形和焊点可靠性
CAD[J].半导体学报,2000,21(2):204-208
[8]　周德俭,吴兆华,刘常康.表面组装技术的焊点虚拟成型和产品
虚拟组装技术的研究[J].CIM S,1999,4(5):46-50
[9]　周德俭,吴兆华,陈子辰.基于焊点形态理论的SM T组装质量实
时检测与控制技术[J].电子机械工程,1997,(6):22-25
The Virtual Evolving Technology of SMT
Solder Joint and Its Applications Based
on Solder Joint Shapes Theory
Chou Dejian,Pan Kailin,Qin Kuangyu,Huang Chunyue
(Dept.of Elecetronic Mechina ry a nd Tra nspo ra tion Engineering,Guilin541004,China)
Abstract:In this paper,based o n presenting the basic concept of so lder joint sha pes theo ry and v ir tua l evo lv-ing tech nolog y of SM T solder joint,the application theory and m ethods of SM T solder joint virtual evo lv ing technolog y in the field of SM C/SM D com ponent structure desig n,SM T pro duct assem bling pro cess desig n and assem bling quality detecting are dem onstrated.
Key words:SM T,solder joint v irtual ev olving tech nolog y,solder joint shapes,so lder joint reliability
周德俭(1954-),男,桂林电子工业学院教授。

1982毕业于浙江大学,1990年获西安电子科技大学硕士学位,1998年获浙江大学工业博士。

曾任本院电子机械工程系系副主任、主任,院
长助理,现任桂林工学院副院长。

主要从事SM T、CNC、C AD/CAM方面的教学和科研工作。

已主持和参与完成各类纵横向科研项目10余项,现主持在研省部级项目3项。

已发表学术论
文60余篇,主编和参编书籍3册;已获国家专利1项、省部级项目鉴定或科研成果奖4项;曾
获机械电子工业部优秀科技青年,本院优秀教师、优秀科技工作者,广西区荣誉勋章等奖励。

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