CN111898307B - 一种含多股导线焊点疲劳模拟仿真模型的分级简化方法 - Google Patents

一种含多股导线焊点疲劳模拟仿真模型的分级简化方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含多股导线焊点疲劳模拟仿真模型的分级简化方法，其步骤如下：一、构建出实际含多股导线的焊点模型以及仅含一根多股导线的焊点模型；二、对仅含一根多股导线的焊点模型进行疲劳特性仿真，获得未简化模型的疲劳特性；三、对仅含一根多股导线的焊点模型进行简化，构建多股导线的一级简化方法；四、对实际含多股导线的焊点模型进行疲劳特性仿真，获得一级简化模型的疲劳特性；五、对实际含多股导线的焊点模型进行进一步简化，构建多股导线的二级简化方法。本发明利用分级简化方法对介观结构复杂的含多股导线焊点的有限元模型进行了简化，显著减小网格单元数目，有效提高疲劳仿真的计算效率。

Description

一种含多股导线焊点疲劳模拟仿真模型的分级简化方法
技术领域
本发明属于可靠性评估研究领域，具体涉及一种含多股导线焊点疲劳模拟仿真模型的分级简化方法。
背景技术
据统计，电子组件和系统中超过70％的失效是由不可靠的装联所引起的。焊点是电子装联中最常见的一种连接结构，它主要承受由环境或工作中交变应力引起的疲劳，因此，评估和提高电子装联焊点可靠性的问题一直是产业界和学术界的焦点。然而，如果仅仅依靠现有可靠性试验来评估并优化焊点的可靠性，需要耗费大量人力、物力，且研制周期长。针对这一问题，有效利用模拟仿真方法，可以大幅减少可靠性试验次数、周期和成本，进一步节约相关资源并缩短研制周期。
在电子装联过程中，多股导线焊点结构由于其机械柔性、连接工艺简便性和灵活性，在电子系统装联制造中被广泛使用。但是，多股导线焊点介观结构复杂，其结构和疲劳行为动态耦合，难以建立有效合理的疲劳模拟仿真模型。目前有数目众多的电子装联焊点的疲劳仿真模型出现，但大多集中在球栅阵列器件焊点、面封装器件引脚焊点、电路板通孔插装焊点等，其焊点模拟仿真模型结构简单、尺度单一。这些现有的焊点疲劳模拟仿真模型构建方法，不适用于含多股导线的焊点。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的焊点模拟仿真模型结构简单、尺度单一，不适用于含多股导线焊点的问题，提供一种含多股导线焊点疲劳模拟仿真模型的分级简化方法，通过建立标准的网格划分方法以及分级简化方法，实现了含多股导线的焊点的疲劳特性的快速可靠仿真。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种含多股导线焊点疲劳模拟仿真模型的分级简化方法，所述方法步骤为：
步骤一：根据相关几何参数，在有限元分析软件中构建出实际含多股导线的焊点有限元模型和仅含一根多股导线的焊点有限元模型，两焊点钎料内部的多股导线形态相同；
步骤二：对仅含一根多股导线的焊点有限元模型进行仿真，构建标准网格划分方法，并计算危险点坐标与疲劳寿命；
步骤三：对仅含一根多股导线的焊点有限元模型进行简化，构建多股导线的一级简化方法；
步骤四：基于标准网格划分方法以及一级简化方法，对实际含多股导线的焊点有限元模型进行有限元仿真，计算危险点坐标与疲劳寿命；
步骤五：实际含多股导线的焊点应包含单股导线，单股导线的直径应大于等效单股线的直径，进而利用等效单股线完全替代多股导线来实现多股导线的二级简化。
本发明相对于现有技术的有益效果为：
1、建立了含多股导线焊点疲劳仿真的标准流程，可以依据此流程快速完成此类焊点有限元模型的建模。
2、利用分级简化方法对网格单元数目较高的含多股导线焊点的有限元模型进行了简化，显著减小网格单元数目，有效提高疲劳仿真的计算效率。
3、可基于此方法对含多股导线焊点进行优化以提高焊点的可靠性，相较于可靠性试验能有效节约资源并缩短实验周期。
附图说明
图1为分级简化流程示意图；
图2为引脚/单Cu多股导线焊点模型的三维视图；
图3为1/2对称的Cu多股导线/Ag互连片焊点模型的三维视图；
图4为划分网格后多股线截面多边形的边数为8时，导线的横截面图；
图5为划分网格后危险点附近多股线截面边缘的边单元大小对疲劳寿命的影响趋势图；
图6为伸出钎料的导线长度对焊点疲劳寿命的影响趋势图；
图7为钎料成分是62Sn36Pb2Ag的焊点内未被替代的多股线长度对焊点疲劳寿命的影响趋势图；
图8为一级简化的多股导线的三维视图；
图9为钎料成分是96.5Sn3.5Ag的焊点内未被替代的多股线长度对焊点疲劳寿命的影响趋势图；
图10为1/2对称的引脚/双Cu多股导线焊点模型的三维视图；
图中：1-钎料，2-互连片，3-引脚，4-一级简化的多股导线，5-未简化的多股导线，h-导线中心线与互连片表面间距。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明从几何结构相对简单的仅含一根多股导线的焊点入手，建立多股导线的分级简化方法，显著减小网格单元数目，从而合理可靠并快速高效地实现了含多股导线的焊点的疲劳特性仿真。
具体实施方式一：本实施方式记载的是一种含多股导线焊点疲劳模拟仿真模型的分级简化方法，所述方法步骤为：
步骤一：根据相关几何参数，在有限元分析软件中构建出实际含多股导线的焊点有限元模型和仅含一根多股导线的焊点有限元模型，两焊点钎料内部的多股导线形态相同；仅含一根多股导线的焊点是最简单的含多股导线焊点，需要基于仅含一根多股导线的焊点建立一级简化方法从而来简化实际的含多股导线焊点。实际的含多股导线焊点至少包含一根多股线，可以包含多根多股线，同时也可以包含单股线，结构更加复杂。
步骤二：对仅含一根多股导线的焊点有限元模型进行仿真，构建标准网格划分方法，并计算危险点坐标与疲劳寿命；
步骤三：对仅含一根多股导线的焊点有限元模型进行简化，构建多股导线的一级简化方法；
步骤四：基于标准网格划分方法以及一级简化方法，对实际含多股导线的焊点有限元模型进行有限元仿真，计算危险点坐标与疲劳寿命；
步骤五：实际含多股导线的焊点应包含引脚等单股导线，单股导线的直径应大于等效单股线的直径，进而利用等效单股线完全替代多股导线来实现多股导线的二级简化；若实际含多股导线的焊点不满足上述条件，则仅能进行一级简化，无法进行二级简化。二级简化相较于一级简化在需要计算大量模型的优化过程中能够节约大量的计算时间。
本发明对焊点疲劳失效的外因不作限制，热、电、机械振动等因素的单独或共同作用所导致的疲劳失效均可采用本发明所述的简化方法与仿真流程。
具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种含多股导线焊点疲劳模拟仿真模型的分级简化方法，所述步骤二的具体流程为：
(1)考察多股导线的网格细分程度对危险点位置的影响，确定危险点可能出现的区域并对该区域内网格加以细分，构建确定危险点位置的标准网格划分方法；
(2)考察危险点附近网格细分程度对焊点疲劳寿命的影响，构建计算焊点疲劳寿命的标准网格划分方法。
具体实施方式三：具体实施方式一所述的一种含多股导线焊点疲劳模拟仿真模型的分级简化方法，所述步骤三的具体流程为：
(1)考察多股导线伸出钎料的长度对焊点疲劳寿命的影响，在焊点疲劳寿命的误差允许的范围(±15％)内选取导线伸出钎料的长度的最小值，并确定一级简化方法中多股导线伸出钎料的长度；
(2)将钎料内多股导线的中间部分用等效单股线替代，考察未被替代的多股线的长度对焊点疲劳寿命的影响，在焊点疲劳寿命的误差允许的范围(±15％)内选取等效单股线的长度的最大值，并确定一级简化方法中焊点内部等效单股线两侧未简化多股线的长度。
具体实施方式四：具体实施方式一所述的一种含多股导线焊点疲劳模拟仿真模型的分级简化方法，含多股导线的焊点至少包含钎料与多股导线以及互连结构。
具体实施方式五：具体实施方式四所述的一种含多股导线焊点疲劳模拟仿真模型的分级简化方法，所述互联结构包括互连片、接线柱、锡杯。
具体实施方式六：具体实施方式四或五所述的一种含多股导线焊点疲劳模拟仿真模型的分级简化方法，所述含多股导线的焊点还含有单股金属线。
具体实施方式七：具体实施方式六所述的一种含多股导线焊点疲劳模拟仿真模型的分级简化方法，所述单股金属线为单股导线或引脚。
具体实施方式八：具体实施方式一所述的一种含多股导线焊点疲劳模拟仿真模型的分级简化方法，步骤五中，所述等效单股线的截面为圆形，且圆形直径应在多股导线包络线直径的1-1.05倍范围内。
具体实施方式九：具体实施方式一所述的一种含多股导线焊点疲劳模拟仿真模型的分级简化方法，危险点是指疲劳仿真后焊点有限元模型中应力或应变最大的单元点，需要根据疲劳寿命预测方程确定危险点判断依据的表达式。
实施例1：
结合图1说明本实施例，本实施例的含多股导线焊点仿真方法包括如下步骤：
步骤一：根据相关几何参数，在有限元分析软件中导入并完善引脚/单Cu多股导线焊点，即实际含多股导线的钎焊焊点的三维有限元模型，如图2所示；同时导入并完善Cu多股导线/Ag互连片焊点，即仅含一根多股导线的钎焊焊点的三维有限元模型，如图3所示。两焊点的钎料成分均为62Sn36Pb2Ag，在钎料内部的多股导线形态相同。
步骤二：本实施例中焊点的失效机制为热机械疲劳失效，设置热循环的最高温度为130℃、最低温度为-90℃、最高温度和最低温度的保温时间为30min，升降温速率均为15℃/min。采用Coffin-Manson方程计算焊点的疲劳寿命：
Figure GDA0003696018960000051
式中Nf为疲劳寿命；Δε为有效塑性应变范围。对Cu多股导线/Ag互连片焊点模型进行仿真，构建标准网格划分方法，并计算危险点坐标与疲劳寿命，其具体流程如下所示：
(1)考察多股导线的网格细分程度对焊点内危险点位置的影响，网格的细分程度可以由划分网格后多股线截面多边形的边数k来描述，如k＝8时，导线完成网格划分后横截面如图4所示。选取k＝4、8、12、16、20、24，仿真经过一个热循环周期后危险点位置，计算结果如表1所示，从表中可以发现危险点始终位于多股导线附近。为保证快速并且精确地被确定危险点位置，将“绝缘皮与钎料外表面交界处以及导线在钎料内部的端面k＝20，其它区域k＝8”的网格划分方法作为危险点位置确定时多股导线区域的标准网格划分方法。在软件中具体操作为：多股导线区域采用“细化”的预定义，将“最小单元大小”参数改为0.06mm(对应横截面多边形边数为8)；而在导线的端面以及钎料和绝缘皮的交界处，利用“分布”功能定义两个面处多边形边数为20。
表1不同的横截面边数对应危险点坐标
横截面边数k x坐标/mm y坐标/mm z坐标/mm
4 -0.2753 -2.5000 0.4262
8 -0.2015 -2.5000 0.2985
12 -0.2753 -2.5000 0.4262
16 -0.2150 -2.4904 0.3214
20 -0.2713 -2.4870 0.4157
24 -0.2079 -2.4891 0.3062
(2)考察危险点附近网格细分程度对焊点疲劳寿命的影响。对多股线区域预先采用确定危险点位置的网格划分方法；在危险点附近，通过定义导线截面边缘的边单元大小r来衡量危险点附近网格细分程度。求解6个热循环周期各时刻的应力、应变场，基于第6热循环周期内的最大有效塑性应变范围，求解得到焊点的疲劳寿命N随边单元大小r变化的趋势如图5所示。选取图5中拐点处r的取值，即r＝6μm作为标准方法中危险点附近导线截面边缘的边单元大小，从而构建计算焊点疲劳寿命的标准网格划分方法。此焊点危险点的坐标为(-0.27361，-2.4982，0.42104)，疲劳寿命为7840次循环周期。
步骤三：对Cu多股导线/Ag互连片焊点模型进行简化，构建多股导线的一级简化方法，其具体流程如下所示：
(1)考察多股导线伸出钎料的长度l1对焊点疲劳寿命N的影响，结果如图6所示，图中水平线表示实际焊点模型的疲劳寿命。该图表明相较于实际焊点，焊点疲劳寿命随着l1的增大在实际模型的疲劳寿命附近波动，而非单调增加或单调减小，并且疲劳寿命的变化幅度均在15％以内，因此忽略伸出钎料的导线长度对疲劳寿命的影响，从而确定一级简化方法中多股导线伸出钎料的长度l1＝0.1mm；
(2)利用等效替代的方法，将钎料内多股导线的中间部分用直径接近多股导线包络线直径的等效单股线替代，二次简化后焊点内等效单股线两侧未被替代的多股线长度相同并且均用l2表示，考察未被替代的多股线长度的变化对焊点疲劳寿命的影响，如图7所示。图7表明当l2≥0.4mm时，疲劳寿命随着l2的增加在实际焊点疲劳寿命附近波动，且变化幅度均小于15％，因此当l2≥0.4mm时多股导线的中间部分用直径接近多股导线包络线直径的等效单股线替代的简化方法，选取l2＝0.4mm作为一级简化方法中焊点内部等效单股线两侧多股线的长度，经过一级简化后多股导线如图8所示。未简化的焊点有限元模型包含的网格单元数为132231，网格单元的平均质量为0.6121。经过一级简化后焊点有限元模型包含的网格单元数减少至85620，仅为未简化模型的64.8％；网格单元的平均质量为0.6284，有一定提高，说明网格划分更加合理；一级简化模型的计算时间可以缩短至未简化模型所需计算时间的60％-70％。
步骤四：基于已经建立的标准网格划分方法以及一级简化方法，对引脚/单Cu多股导线焊点模型进行有限元仿真，计算得到危险点的坐标为(-0.074105，6.0844，0.25435)，疲劳寿命为405次循环周期。
步骤五：引脚/单Cu多股导线焊点包含引脚，危险点出现在引脚附近，将多股导线完全简化为等效单股线后发现危险点的位置以及焊点疲劳寿命的几乎没有变化，因此采用等效单股线完全替代多股导线的简化方法对焊点进行进一步简化，构建多股导线的二级简化方法。一级简化的焊点有限元模型包含的网格单元数为160103，网格单元的平均质量为0.6193。经过二级简化后焊点有限元模型包含的网格单元数减少至87815，仅为未简化模型的54.8％；网格单元的平均质量为0.6274，有一定提高，说明网格划分更加合理；二级简化模型的计算时间可以缩短至一级简化模型所需计算时间的50％-60％。
实施例2：
本实施例中钎料的成分为96.5Sn3.5Ag，其它条件与实施例1一致。步骤三流程(2)中，二次简化后焊点内等效单股线两侧未被替代的多股线长度相同并且均用l2表示，考察未被替代的多股线长度的变化对焊点疲劳寿命的影响，如图9所示。图9表明当l2≥0.4mm时，疲劳寿命随着l2的增加在实际焊点疲劳寿命附近波动，且变化幅度均小于15％，因此仍选取l2＝0.4mm作为一级简化方法中焊点内部等效单股线两侧多股线的长度。一级简化模型的计算时间可以缩短至未简化模型所需计算时间的50％-60％。步骤四中计算得到危险点的坐标为(-0.050860，6.0844，0.25210)，疲劳寿命为617次循环周期。步骤五中二级简化模型的计算时间可以缩短至一级简化模型所需计算时间的40％-50％。其余步骤和实施例1相同。
实施例3：
本实施例中实际含多股导线的钎焊焊点变为引脚/双Cu多股导线焊点，如图10所示；其它条件和实施例1一致。步骤四中计算得到危险点的坐标为(0.0000，5.0412，0.24507)，疲劳寿命为1310次循环周期。步骤五中一级简化的焊点有限元模型包含的网格单元数为180543，网格单元的平均质量为0.6077。经过二级简化后焊点有限元模型包含的网格单元数减少至103313，仅为未简化模型的57.2％；网格单元的平均质量为0.6087，有一定提高，说明网格划分更加合理；二级简化模型的计算时间可以缩短至一级简化模型所需计算时间的50％-60％。其余步骤和实施例1相同。

Claims (7)

1.一种含多股导线焊点疲劳模拟仿真模型的分级简化方法，其特征在于：所述方法步骤为：
步骤一：根据相关几何参数，在有限元分析软件中构建出实际含多股导线的焊点有限元模型，焊点钎料内部的多股导线形态相同；
步骤二：对实际含多股导线的焊点中仅含一根多股导线的焊点有限元模型进行仿真，构建标准网格划分方法，并计算危险点坐标与疲劳寿命；所述步骤二的具体流程为：
（1）考察多股导线的网格细分程度对危险点位置的影响，确定危险点可能出现的区域并对该区域内网格加以细分，构建确定危险点位置的标准网格划分方法；
（2）考察危险点附近网格细分程度对焊点疲劳寿命的影响，构建计算焊点疲劳寿命的标准网格划分方法；
步骤三：对实际含多股导线的焊点中仅含一根多股导线的焊点有限元模型进行简化，构建多股导线的一级简化方法；所述步骤三的具体流程为：
（1）考察多股导线伸出钎料的长度对焊点疲劳寿命的影响，在焊点疲劳寿命的误差允许的范围内选取导线伸出钎料的长度的最小值，并确定一级简化方法中多股导线伸出钎料的长度；
（2）将钎料内多股导线的中间部分用等效单股线替代，考察未被替代的多股线的长度对焊点疲劳寿命的影响，在焊点疲劳寿命的误差允许的范围内选取等效单股线的长度的最大值，并确定一级简化方法中焊点内部等效单股线两侧未简化多股线的长度；
步骤四：基于标准网格划分方法以及一级简化方法，对实际含多股导线的焊点有限元模型进行有限元仿真，计算危险点坐标与疲劳寿命；
步骤五：实际含多股导线的焊点包含单股导线，单股导线的直径大于等效单股线的直径，进而利用等效单股线完全替代多股导线来实现多股导线的二级简化。
2.根据权利要求1所述的一种含多股导线焊点疲劳模拟仿真模型的分级简化方法，其特征在于：含多股导线的焊点至少包含钎料与多股导线以及互连结构。
3.根据权利要求2所述的一种含多股导线焊点疲劳模拟仿真模型的分级简化方法，其特征在于：所述互连结构包括互连片、接线柱、锡杯。
4.根据权利要求2或3所述的一种含多股导线焊点疲劳模拟仿真模型的分级简化方法，其特征在于：所述含多股导线的焊点还含有单股金属线。
5.根据权利要求4所述的一种含多股导线焊点疲劳模拟仿真模型的分级简化方法，其特征在于：所述单股金属线为单股导线或引脚。
6.根据权利要求1所述的一种含多股导线焊点疲劳模拟仿真模型的分级简化方法，其特征在于：步骤五中，所述等效单股线的截面为圆形，且圆形直径在多股导线包络线直径的1-1.05倍范围内。
7.根据权利要求1所述的一种含多股导线焊点疲劳模拟仿真模型的分级简化方法，其特征在于：危险点是指疲劳仿真后焊点有限元模型中应力或应变最大的单元点，需要根据疲劳寿命预测方程确定危险点判断依据的表达式。
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