焊锡中气泡对电子元件热传导的影响

宁泽群

东莞长城开发科技有限公司

摘要：电子元件由于具有重量轻、体积小等特点，会使其单位体积内产生很多的热量，所以需对由于热量而引起的电子元件失效问题加以关注。同时，电子元件的这种特点对其组装密度提出了更高的要求，使得如何保证焊锡质量成为一个日渐重要的问题。焊接过程当中的操作不当很有可能会使焊锡产生气泡，从而影响电子元件的热传导性。本文采用基于ANASYS的有限元分析，建立了一种空调中电子元件的三维模型，采用“生死单元”技术来模拟电子元件焊锡中不同大小和不同位置的气泡情形，并进行热传导的模拟计算。结果证明：当气泡占焊锡体积达到4/49的时候，气泡对电子元件热传导的影响开始明显化；当气泡在焊锡边缘的时候，对电子元件的热传导影响更大。

关键词：焊锡；气泡；电子元件；热传导

一、引言

近几年，电子设备逐渐微型化，电子封装密度也有了很大的提高，这就使得热设计愈加重要。电子元件由于具有重量轻、体积小等特点，会使其单位体积内产生很多的热量，使得温度成为影响多芯片组件以及电子元器件可靠性的一个很重要的因素[1，2]。此外，電子产品由于具有“轻、薄、短、小”等特点，这就对电子元器件的微型化以及组装密度提出了更高的要求，使得如何保证焊锡质量成为一个日渐重要的问题。焊锡质量和可靠性决定了电子元件的质量，但当焊接操作不当的时候会使焊锡产生很多气泡，这就会对电子元件的温度传导以及分布产生很大的影响。

二、有限元模型

（一）元件结构

整个电子元件从上到下总共有8层，分别是密封胶、芯片、热扩展层、无错焊锡、电路图案、热绝缘层以及基板[3]。芯片分别位于基板的不同位置，焊锡层厚度都是0.05mm。加热的对象是加热芯片，热边界条件为：加热后15s开始对加热芯片加热，使其温度从293K升到403K；内部各种材料建议传导方式进行传热，并且服从傅里叶传热定律；在模型的外部，当进行加热时要使密封胶的上表面同基板的下表面通过与空气自然对流进行散热，并保证周围环境绝热。对流传热主要服从牛顿冷却定律，周围空气温度取293K，对流的换热系数取10W/（m2·K）。图1为电子元件的平面视图、加热芯片以及各芯片的截面视图。

图1 EC的平面视图和芯片界面视图

（二）有限元模型

图2为用ANASYS建立的三维模型图和网格划分图：

图2 EC有限元模型和EC内部模型

模型中的部件进而材料属性如表1：

表1 模型组成和材料属性

三、模拟实验

（一）“生死单元”技术

主要采用有限元方法来研究焊锡当中气泡的大小以及位置对电子元件热传导所产生的影响，其中采用了有限元当中的生死单元技术。生死单元就是在模型当中加入或者删除材料，从而使模型当中相应的单元“生”或者“死”。若想实现“单元死”的效果，要将其刚度矩阵同一个很小的因子相乘[4]。此时，死单元的阻尼、质量、载荷、热比容以及其他类似的效果都会被设为零，这就能利用“杀死单元”来模拟不同大小和不同位置的气泡，而避免每次都重新建立模型，从而有效节省计算量。

（二）气泡模拟

为方便模拟，本文将气泡形状统一为长方体，并忽略气泡当中空气的传热。高温焊锡部分（有气泡及无气泡时）的有限元模型图如图3所示，按照气泡在整个高温焊锡的体积所占比：无气泡（图3（a））、占1/49（图3（b））、4/49（图3（c））、6/49（图3（d））以及9/49（图3（e）），气泡在焊锡的中间位置；气泡占焊锡体积比为4/49（图3（f）），在焊锡边缘位置。

图3 高温焊锡当中气泡大小和位置模拟

四、结果分析

（一）由温度分布图来观察气泡对热传导的影响

气泡所在的那个部位单元被杀死，不能直接观察气泡所在的位置的温度情况，这对传热结果的观察非常不利。在模拟当中，使用GLUE命令来连接高温焊锡层和热扩展层。由ANASYS理论可知，这两层会有一个公共边界，也就是接触面（即热扩展层上表面和高温焊锡层的下表面共同的区域部分），而且节点在接触面上会对应重合，这就会使热扩展层的上表面温度成为高温焊锡层下表面热传导的一个直接的结果。所以可以选择热扩展层上表面加以分析，这不仅有利于高温焊锡和热扩展层接触面的观察，还有利于气泡正下方部位的观察，从而直接观察到气泡对热传导的影响。

同气泡大小和位置相对应，在进行加热到15s的时候，热扩展层上表面的温度分布如图4所示：

图4 高温焊锡下表面温度分布图

最高温度区域，也就是颜色最深的区域以及气泡正下方区域的温度值如表2所示：

表2 热扩展层进而焊锡层接触面的高温区及气泡正下方区域温度值

由图4和表2可知：同无气泡相比，当气泡在中间区域、气泡比为1/49的时候，图形上不存在明显的差异，但在最高温度上会有不同，气泡会使温度下降大概0.3K；当气泡比为4/49的时候，可以明显观察到区间内的温度值有所降低，至气泡比达到9/49的时候，会出现两个低于最高温度的温度区间，这表明气泡对传热影响逐渐增强；当气泡在边缘位置的时候，气泡对传热的影响要高于中间区域的气泡。

图5 热扩展层上节点11828和节点11835

（二）从节点温度来观察气泡影响

为了有效观察气泡对焊锡热传导的影响，本文选择热扩展层上的两个固定节点11828和11835在图4中的6种情形下的温度分别加以比较。其中节点11828在焊锡层和热扩展层接触面的靠近中间位置，而节点11835在两层接触面的边缘位置，如此在图3（b）至图3（e）情形下，节点11828在气泡的正下方，图3（f）时，节点11835在气泡的正下方。热扩展层上的节点11828和节点11835的位置如图5所示，同图3当中的6种情形相比，节点11828和11835温度值分别如表3和表4所示：

表3 节点11828的温度值

表4 节点11835的温度值

由表3可知，当气泡在高温焊锡的中间位置的时候，气泡对热传导的影响会随着气泡体积的增大而增强，当气泡比例达到4/49时气泡的影响开始发生很明显的变化。通无气泡的情形相比，当气泡比例为9/49的时候气泡在垂直下方区间的温度降低最高可以达到4.5K。由表3和表4可知，对比（c）和（f），对节点11835来讲，气泡在边缘位置会比在中央位置时的温度低大概3K，而对节点11828来讲，气泡在边缘位置会比在中央位置时温度高大概2K。因此，当气泡大小相同而所在位置不同时，气泡在焊锡的边缘位置会对热传导产生更大的影响。

五、总结

本文结果证明，焊锡中气泡对电子元件的热传导会产生如下影响：电子元件的热传导能力会随着气泡的增大而逐渐降低。由图4可知，当气泡体积比例达到4/49的时候，气泡影响开始有明显的变化，气泡垂直下方部位的温度很快下降；和无气泡相比，当气泡比为9/49时，温度降低最高可达到4.5K。当气泡大小不变的时候，气泡在边缘部位的时候同在焊锡中间位置相比，会对热传导产生更大的影响。

参考文献：

[1] 宋文明.电子元件热应力有限元分析[D].上海交通大学，2008.

[2] 李家贤，谢豪骏.导热装置及其热熔焊锡方法：CN，CN102039466 B[P].2012.

[3] 丘克强，周益辉.一种高效回收废弃印刷电路板焊锡的工艺及装置：，CN101362143 A[P].2009.

[4] 宋文明，李鸿光.焊锡中气泡对电子元件热传导的影响[J].电子元件与材料，2007，第10期：70-73.