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1、焊锡中气泡对电子元件热传导的影响第26卷第l0期2007年l0月电子元件与材料ELECTRoNlCCoMPoNENTSANDMATEIUALS,o1.26NO.10Oct.2007焊锡中气泡对电子元件热传导的影响宋文明,李鸿光(上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室,上海200240)摘要:采用有限元软件ANSYS建立了空调中一种电子元件的三维模型,利用有限元生死单元技术,模拟电子元件焊锡层中存在不同大小和位置的气泡时的情形,分别对模型的热传导进行模拟计算,并对分析结果进行比较,以研究焊锡中气泡对电子元件热传导的影响.结果表明,气泡大小占焊锡体积比达4/49时,气泡对热传导影响开始明显化.气
2、泡位于边缘位置对热传导影响更大,与中间位置相比,温度约低3K.关键词:电子技术;电子元件;焊锡:气泡;有限元法;生死单元;热传导中图分类号:TN61/65文献标识码:A文章编号:10012028(2007)10007004EffectofbubbleinsolderonheattransferofelectroniccomponentsSONGWen-ming,LIHong-guang(StatekeyLaboratoryofMechanicalsystem&Vibration,ShanghJiaotongUniversity,Shanghai200240,China)Abstract
3、:A3一Dtherma1modelofakindOfECforspecialuseinairconditionerwasconstructedtoinvestigatetheeffectofbubbleinsolderonheattransfer.Takingthescaleand1ocationofbubbleinsolderintoconsideration.simulativecalculateswerecarriedout,respectively,withtheapplicationofBinhanddeathFEelementfunction.Theresultsindicatew
4、henvolumeratioofbubbleinsolderreachesto4,49.effectbecomesobvious.Comparedwiththemidst,bubble1ocatedinthefringehasfurthereffectonheattransfer,thetemperatureiSabout3K1owerthanthemidst,Keywords:electrontechnology;electroniccomponents;solder;bubble;finiteelementmethod;birthanddeathofelements;heattransfe
5、r随着电子设备不断微型化和电子封装密度不断提高,热设计显得越来越重要.温度是影响多芯片组件和电子元器件的工作可靠性的主要因素.同时,电子产品的轻,薄,短,小化对元器件的微型化和组装密度提出了更高的要求,如何保证焊锡部分质量也是一个重要课题【2J.焊锡的质量与可靠性决定了电子产品的质量.由于焊接过程的操作不当而导致焊锡部分含有气泡,从而可能对电子元器件的温度传导及分布产生重要的影响.针对以上情况,以空调中的一种三维叠层电子元件(EO为研究对象,用有限元软件ANSYS建立其三维模型,利用有限元生死单元技术【5.6】,模拟电子元件焊锡层中存在不同大小和位置的气泡时的情形,分别对模型的传热进行了模拟计
6、算,以研究焊锡中气泡对电子元件热传导的影响,为EC的热设计提供参考依据.1有限元模型1.1元件结构整个电子元件从上至下一共有8层,密封胶,芯片,热扩展层,无铅焊锡,电路图案,热绝缘层和基板,从外形上看如同一个78.7mmx52mmx9mm的长方体.芯片分别分布在基板上的不同位置.高温焊锡层厚度都为0.05mlil.加热对象为加热芯片见图1(a)】,热边界条件如下:对加热芯片加热,要求开始加热后15S,加热芯片的温度从293K上升到403K;内部各材料之间通过传导方式传热,服从傅立叶传热定律;模型外部,加热时密封胶上表面和基板的下表面通过与空气自然对流散热,而外围四周为绝热环境.其中对流传热服从
7、牛顿冷却定律,取周围空气的温度为293K,对流换热系数为10W/(m?K)【.图1为电子元件的平面视图,加热芯片,和各芯片的截面视图.收稿日期:2007.06.19通讯作者:宋文明基金项目:高等学校学科创新引智计划资助项目(B06012)作者简介:宋文明(1984一),男,江西吉安人,研究生,研究方向为振动与冲击理论及有限元理论.Tel:13917232837;E-mail:swmingsjtu.edu.eft.第26卷第10期宋文明等:焊锡中气泡对电子元件热传导的影响71基板(b)图1(a)EC的平面视图及加热芯片:(b)各芯片截面视图Fig.1(a)PlaneviewofEC;(b)Cro
8、ss-sectionalviewofchips1.2有限元模型采用ANSYS建立的EC有限元三维模型及网格划分见图2.一一(a)(b)图2(a)EC有限元三维模型和网格划分;(b)EC内部模型和网格划分(除去密封胶)Fig.2(a)FEMmodelofECandnet;(b)InternalFEMnetmodelofECwithoutGelpart模型中部件及其材料属性如表l所示.表l模型组件及材料属性Tab.1CompositionandmatedalpropertiesofECmodel热传导率密度比热容组件【W?(m?K)】(g?cm-)【4.184J?(g?K)】芯片1502,330.
9、162高温焊锡35.2l1.16O.O3l热扩展层电路图案3988.960.092无铅焊锡64.27.40.056热绝缘层43.10-23基板2372.70-215密封胶0.170.980-362模拟实验2.1生死单元技术用有限元模拟的方法探究焊锡中气泡的位置和大小对热传导的影响,其中利用了有限元中的生死单元技术5.6】.所谓生死单元是在模型中加入或删除材料,使模型中相应的单元或生或死.要达到单元死的效果,并非将杀死的单元从模型中删除,而是将其刚度(或传导,或其它分析特性)矩阵乘以一个很小的因子.此时死单元的载荷,质量,阻尼,比热容及其它类似的效果都将被设定为零.这样,可以利用杀死单元有效地实
10、现对不同大小或出现在不同位置的气泡的模拟,而不需要每次都重新建立模型,大大节省了计算量.2.2气泡模拟考虑到模拟的简便,将气泡的形状简化为长方体,同时忽略气泡中空气的传热.高温焊锡部分(无气泡和有气泡时)有限元模拟图如图3所示.对5种大小和2种位置的气泡进行了模拟.按气泡占整个高温焊锡的体积LL-无气泡【图3(a)】,1/49图3(b)】,4/49图3(c)】,6/49图3(d)】和9/49图3(e)】,气泡位于中间位置;而图3(D中气泡所占体积比4:49,但位于边缘位置.(b)IIl(e)(f)图3高温焊锡中气泡大小和位置Fig.3Scaleandlocationsofbubblesinhi
11、gh-temperaturesolder3结果及讨论3.1从温度分布图观察气泡影响由于气泡所在部位单元被杀死,无法直接地观察气泡所在部位的温度情况,不利于传热结果的观察.在模拟中,使用GLUE命令将高温焊锡层和热扩展层粘接在一起.根据ANSYS理论,这两层共有一个公共边界,即接触面(高温焊锡层下表面和热扩展层上表面共有区域),且节点在接触面上对应重合【8】,故热扩展层上表面温度是高温焊锡层下表面热传导的直接结果.因此,选取热扩展层的上表面进行分析观察,既能观察热扩展层与高温焊锡的接触面,也能观察气泡正下方区域,从而能更直观地看到气泡对传热的影响.与气泡大小和位置相对应,加热15S时,热扩展层上
12、表面的温度分布见图4.最高温度区(颜色最深区域)以及气泡正下方区域的温度值见表2.从图4以及表2,可以得出以下结论:(i)气泡在焊锡中间位置时,与无气泡相比,气泡比为1/49时,图形上没有明显区别,但是最高温度基,网刚副皎72宋文明等:焊锡中气泡对电子元件热传导的影响V_o】.26No.100ct.2007l.搿?-?+温度升高图4热扩展层与高温焊锡的接触面温度分布图Fig4Temperaturedistributionofinterfacebetweenthermalspreaderandsolder表2热扩展层与高温焊锡的接触面高温区和气泡正下方温度值Tab.2Temperatureval
13、uesofhotareasandareasbelowthebubblesininterfacebetweenthermalspreaderandthesolderK气泡位置温区(a)(b)(c)(d)(e)(f)399.5399b3399.l一398.9398.3399.4高温区401.0400.7400.5400.4399.6400.9气泡正下399.3397.7397.5395.5396.4方区域400.7399.l398.9398.3399.4区间仍有差别,气泡的存在导致温度下降约0-3K.当气泡比例达到4/49时,明显地可以看到区问内温度值下降,到气泡比例为9/49时,甚至出现两个低于
14、最高温度的温度区间,说明气泡对传热的影响也逐渐增大.(2)气泡比例同为4/49时,边缘的气泡对温度传导的影响要大于中问位置的气泡.3.2从节点温度观察气泡影响为进一步观察气泡对热传导产生的影响,选取热扩展层上两固定节点,节点11828和节点11835在图4中6种情况下的温度分别进行比较.其中节点11828位于热扩展层和高温焊锡层接触面的近中央,而节点11835位于接触面的边缘.这样,图3所示(b)一(e)情况下,节点11828位于气泡正下方:图3所示(D情况下,节点11835位于气泡正下方.扩展层上节点11828和节点11835位置如图5所示.与图3中6种情况对应,节点11828及节点1183
15、5温度分别见表3及表4.从表3中可以看出气泡位于高温焊锡的中部时,ll835图5热扩展层(与高温焊锡层的接触面部分)上节点ll828利节点l1835位置Fig5Nodell828andnodell835onthermalspreaderrareaofinterfacebetweenspreaderandsolder)表3节点ll828的温度值Tab.3Temperaturevaluesofnodell828K气泡位置加热时间/s(a)I(b)I(c)(d)l(e)I(f)2321.79l321.54l320.04319.73I31928l321.37370.89l370.46l367.8336
16、7.31l36649I370.03l5401.O0I400.59I398.06397.55I396.77l400.17表4节点ll835温度值Tab.4Temperaturevaluesofnodei1835K气泡位置加热时间/s(c)I(f)I(a)I(b)I(1)l(e)2321.03I319.28I321.50I321.50l320.96l320.867369.55l366.48l370.37l370.37I369.44I369.2515399.72I396.79I400.52l400.5ll399.6I399.42随着气泡的增大,对温度的传导影响愈明显,传导能力逐渐下降,气泡比例为4/
17、49的时候气泡的影响开始明显化.和无气泡相比,气泡比例为9/49的时候气泡垂直下方区域温度下降最高达4.5K.从表3和表4看,对比(c)和(f),对于节点11835,气泡位于边缘比位于中问时温度低约3K,而对于节点11828,气泡位于边缘比位于中问时温度高约2K.可见,大小样的情况下,但在不同位置时,气泡位于高温焊锡边缘位置,对温度传导的影响更大.4结论结果表明,焊锡中气泡对电予元件热传导有着如下的影响:(1)气泡大小对热传导的影响随着气泡的增大,热传导能力逐渐下降.从图4可以看到,气泡体积比达到4/49时,气泡的影响开始明显化,出现气泡垂直下方区域温度快速下降;和无气泡相比,气泡体积比为9/
18、49时,温度下降最高达4.5K,且局部性的影响逐渐转变为整体性影响的趋势凸现.(2)气泡位置对热传导的影响气泡大小不变,与位于焊锡中部相比,气泡位于边缘位置时,对温度传导的影响更大.文中所做研究基于同日本某空调公司的合作项目,根据公司实验验证的反馈,模拟结果与实验验证结果接近.另外,从查阅文献显示,目前对焊锡的质量与可靠性研究,很少涉及气泡的影响.研究结果充实了对焊锡的质量与可靠性的研究,并可为电子元件(EC)的热设计以及加工封装提供参考依据.第26卷第10期宋文明等:焊锡中气泡对电子元件热传导的影响73参考文献:1程迎军,罗乐,蒋玉齐,等.多芯片组件散热的三维有限元分析J.电子元件与材料,2
19、004,23(5):4345.2MoghaddamS,RadaM,ShooshtariA,eta1.Evaluationofanalyticalmodelsforthermalanalysisanddesignofelectronicpackages【J.MicroelectronJ,2003,34:223.3PinjalaD.NavasK,XieL,eta1.Thermaldesignofheatspreaderandanalysisofthermalinterfacematerials(TIM)formuti-chippachageA.ProceedingsofIEEE2002Electr
20、onicComponentsandTechnologyConferenceC.SanDiego,CA,USA:IEEE,2002.(上接第66页)(3)在有加速度输入时,两热敏电阻处的气流速度不同.随着输入加速度的增加,两热敏电阻处的气流速度之差加大,流过热敏电阻的电流之差加大,电桥失去平衡,输出一个与加速度相对应的电压.笔者根据不同加速度对敏感元件内流场的影响,揭示了微机械气流式加速度计的敏感机理,同时此方法对提高微机械气流式加速度计的性能,敏感元件的4杨桂杰,杨银堂,李跃进.多芯片热分析技术研究【J.微电子与计算机,2003.7:788O.5徐济进,陈立功.倪纯珍,等.厚板对接多道焊温度场
21、的三维数值模拟J.上海交通大学,2006,40(10):l6871690.6PathakAK,DattaGL.Threedimensionalfiniteelementanalysistopredictdifferentzonesofmicrostructureinsubmergedwelding【J】JEngManuL2004.2l8:269-281.7祝效华,余志祥.ANSYS高级工程有限元分析范例精选【M.北京:电子工业出版社,2004.284-297.88陈晓霞,杨静宁,黄达文,等.ANSYS高级ANSYS分析【M1北京:机械工业出版社,2004.234-235.(编辑:陈渝生)结构优
22、化设计,热敏电阻的最佳位置设置,提供了简单有效的方法.参考文献:1张福学.现代压电学(下册)【M.北京:科学出版社,2002.74.f2王国强.实用工程数值模拟及其在ANSYS上的实践M】.西安:西北工业大学出版社,1999.221.3任宏超,吴建义,张福学.气体摆式惯性器件的机理研究J中国惯性技术,1998,6(2):46(编辑:朱盈权)本杂志社新进一批科技书籍,如需订购请与电子元件与材料杂志社发行部联系,联系电话:(028)84399669,联系人:朱蓓.订购方式:(1)请将书名,定价,册数及汇款底单传真至(028)66130269朱蓓收;(2)传真应注明单位,详细地址,收书人,邮编,电话
23、和传真,开发(3)邮购请加书款定价的15%,挂号另加每件3元挂号费.汇购书款请邮局汇款:地址:成都市一环路东二段八号宏明商厦702室邮政编码:610051传真:(028)66130269A1电子设备结构没衬佳;手册第二版88.4万字St.-70元本书汇集了电子设备结构设计常用的标准资料,这些资料均来自最新的国家标准和电子行业标准等.本书共17章:量和单位:结构要素;产品图样绘制;极限与配合,形状和位置公差;螺纹联接;键联接;空心波导法兰盘;传动;机箱与机柜;热设计;密封元件;弹性元件;隔振器;表面镀涂;连接器:插头座:印制电路覆箔板:常用紧固件.手册为电子结构设计人员提供了大量的技术数据,公式
24、,曲线和图表.内容丰富,数据可靠,电子结构设计师必备的工具书.A2印制电路板技术标准手册79.3万字定价:70元手册全面系统地介绍了印制电路专业最新技术资料和标准化成果.全书共7章:印制电路板设计;印制电路板制图:印制电路板规范;印制电路板材料;印制电路板加工工艺;印制电路板连接器和印制板测试方法和检验方法.手册可供印制电路设计,工艺,生产,检验,使用的广大工程技术人员和相关人员使用.是图书馆,标准化必上架图书.A3工业材料实用手册68.3万字定价:60元手册突出了材料的通用性,实用性和先进性.全书共7章:钢:特种合金:铝及铝合金;铜及铜合金:工程塑料:包装材料:玻璃.A4用刀具数据速查手册5
25、0.8万字定价:35元手册全面的,系统的阐述了机械加工常用刀具型号规格,技术要求,标注方法等技术数据.全书共8章:铣刀:车刀;铰刀;拉刀;滚刀;插齿刀;刨刀,剃齿刀;钻;丝锥和圆锥.A5(a佣热电隅及补偿导线技术手册345千字定价:38元手册全面,系统地介绍了工业常用的十大类型热电偶与相应的补偿导线型号,规格与其相关的技术数据.全书共6章:廉金属热电偶丝及其分度表:贵金属热电偶丝及其分度表:热电偶结构型式及热电偶电缆:热电偶材料试验方式;热电偶检定规程;热电偶用补偿导线和补偿电缆.A6波导与同轴连接器数据手册45万字定价43元手册以图表,数据全面地介绍了波导与同轴连接器在微波设计和测试中最常用的资料.全书共7章:波导;波导法兰盘;波导组件;视频同轴连接器;射频同轴连接器;射频同轴连接器转接器;波导与同轴连接器技术参数测量方法.该书是微波设计,高频接插件设计与测试工程技术人员的良师益友,为君在产品开发中排优解难,助君一臂之力.A7非标机械设备设计手册345万字定价170元本手册共10部分共38章.10部分为工程材料:有关的强制性国家标准;起重运输机械;物流系统及设备:破碎,筛及搅拌机械;热能动力装置及设计;热工设备;表面处理及涂装设备;环保与环卫机械设备;自动化辅助装置和生产线等.
