автореферат диссертации по энергетике, 05.14.05, диссертация на тему:Моделирование процессов теплопереноса при поверхностном монтаже электронных компонентов

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ТНРАЙЭД ИНСТИТУТ ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕПЛОФИЗИКИ

¿1 го

На правах рукописи

САРИОГЛО Владимир Георгиевич

иояклкройаник процессов шлопшшоса прм юдогаостм

ионтаже злнггронншс хшповипов

Специальность.' 06.14.05 "Теоретическая теплотехника"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Киев - 1995

«

Диссертация является рукописью

Работа выполнена в Институте технической теплофизики Национальной Академии Наук Украины.

Научные руководители:

доктор технических наук Н.М. Фиалко,

кандидат технических наук В.Г, Прокопов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Н.И. Никитенко,

кандидат фиаико-матеыатических наук Д.Г. Блинов.

Ведущая организация:

Защита диссертации состоится

Институт проблем моделирования в энергетике HAH Украины

"_£" 1995 1". в i^^COB

ка заседании специализированного ученого совета К 60.04.03 в Институте технической теплофизики HAH Украины по адресу: Z52057, г.Киев-57, ул. Желябова, 2а.

О диссертацией можно ознакомиться в библиотека Института технической теплофизики HAH Украины

Автореферат разослав " «3 " llQüÜf^L^ 1Q95 г.

Ученый секретарь специализированного ученого совета,

кандидат технических наук /у Г.Р. Кудрицкий

Актуальность работы. Среди большого числа стремительно развивающихся технологий электроники одними из наиболее перспективных являются так называемые технологии поверхностного монтажа электронных компонентов. Данные технология позволяют на порядок уменьшить площадь коммутационной платы, занимаемую компонентами монтажа, значительно повысить плотность монтажа, уменьшить массу к габариты печатных узлов и пр. Технологии поверхностного монтаяа открывают значительные возможности для автоматизации производства и обладают такими достоинствами, как высокая производительность, экономичность, экологическая чистота и т.д.

В теплофизическом аспекте важнейшей отличительной особенностью технологий поверхностного монгааз- является наличие сравнительно высоких уровней температур и температурных градиентов на установочной поверхности печатных плат, где закрепляются монтируемые изделия электронной техники. В этой ситуации возникает проблема обеспечения специальных температурных режимов печатных узлов, яри которых исключается возможность перегрева термочувствительных компонентов монтажа, реализуются допустимые уроьни температурных напряжений и т.п.

Как следует из анализа опубликованной литературы, исследования, посвященные изучению температурных режимов печатных узлов б условиях поверхностного монтажа электронных компонентов, крайне малочисленны, причем теоретические исследования базируются, главным образом, на результатах, полученных с использованием упрощенных моделей рассматриваемых явлений. Вместе с тем сложность реализующихся в данной ситуации процессов теплопереноса - их многомерность, нелинейность, наличие фазовых превращений, а также существенная разнородность геометрических и тёпгофизичегких характеристик конструктивных элементов печатных узлов обусловливают необходимость применения адекватных моделей изучаемых явлений, разработки новых и совершенствования существующих .методических приемов, используемых при их моделировании и анализа.

Дель работы. Исследование процессов теплопереноса, протекающих при поверхностном монтаже печатных узлов в условиях реализации различных способов яагрева зовы пайки, на основе использования уточненных математических моделей, новых методических приемов, алгоритмов расчета и соответствующих комплексов программ и получение данных, необходимых при разработке и оптимизации базовых технологий монтажа на поверхность. *

Задачи исследования:

.- разработка на базе учета основных особенностей изучаемых процессов теплопереноса уточненных математических постановок и методических приемов численного решения рассматриваемых з работе задач;

- создание комплекса прикладных программ для решения поставленных задач на ЭВМ;

- исследование температурных режимов печатных узлов при поверхностном монтзкз электронных компонентов с использованием индивидуальной газовой пайки;

- анализ теплового состояния печатных узлов в условиях монтажа компонентов на поверхность печатных плат с применением резястивно-го и инфракрасного нагрева.

Научная новизна;

- "сформулированы уточненные математические модели процессоз теплопереноса, протекающих в условиях осуществления рассматриваемых з работе технологии; _

- реализованы алгоритмы решения задач теплоперекоса в печатных узлах, базирующиеся на использовании эффектов регионального влияния; •

- разработана методика моделирования процессов теплопереноса в объектах сложной геометрической формы на основа- предложенного локально-сетевого метода конечных элементов;

- созданы пакеты прикладных программ, реализующие разработанные методические приемы и алгоритмы расчета;

- выполнен анализ закономерностей протекания процессоз теплопереноса в печатных углах, монтируемых с использованием газового' нагрева; • '

- изучены особенности изменения тепловых состояний печатных уз- • лов в условиях.пайки при резистивном и инфракрасном нагреве.

Предмет и методы исследования. Основным предметом исследования являлись процессы теплопереноса, протекающие а условиях реализации, прогрессивных технологий'поверхностного монтажа печатных узлов. Изучение данных процессов проводилось, главным образом, с ис-полъзовсшием методов математического моделирования при реализации широкого комплекса вычислительных экспериментов.

Практическая значимость и реализация результатов работа.

Результаты выполненных исследований были использованы при создайии базовых технологических процессов поверхностного монтажа

.-t

- а -

и соответствующего автоматизированного оборудования для их реализации. Эти разработки внедрены в НйИЗСМ (г.Киев), в НИК "Пульсар" (г.Москва), в НПО "Сатурн" (г.Киев), на заводе "Радиоизмеритель" (г.Киев), на ПО "Интеграл" (г.Минск).

Обоснованность и достоверность результатов выполненных тепло-физических исследований обусловлены их соответствием данным натурных экспериментов, корректностью используемых физико-математических моделей анализируемых процессов теплопереноса, тщательным тестированием созданного программного обеспечения и эффективностью разработанных с их использованием технологических процессов монтажа печатных узлов.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались ка мех-дународной конференции по тепло- и массообмену в технологии и эксплуатации электронных и микроэлектронных систем (Минск, 1989г.), на первой украинско-польской школе-семинаре "Смешанные задачи механики неоднородных структур" (Шацк, 1995г.), на конференциях молодых ученых ИТТФ HAH Украины (1990г., 1991г.) и обсуждались на научных семинарах з Научно-исследовательском институте электронного спецмашиностроения. Институте технической теплофизики и в Киевском политехническом институте.

Личный вклад автора.

Все результаты, приведенные в диссертационной работе, пгщ*че~ iiu лично автором или при его непосредственном участии.

Публикации. По материалам диссертации опубликовало 11 научких работ.

Структура и объем. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы.

Объем диссертации составляет 189 страниц, в том числе Б таблиц и 69 рисунков. Список литературы включает 109 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи работы и положения, определяющие ее научную новизну. Приведены краткое содержание работы и информация о внедрении результатов выполненных исследований.

В первой главе диссертации рассматривается содержание основных методических разработок, которые используются в настоящем исследовании при моделировании процессов теплопереноса, протекающих в

условиях реализации технологий поверхностного монтажа ПУ. Показано, что данные методики базируются, главным образом, на учете специфических особенностей анализируемых процессов.

В рамках этой главы освещаются основные особенности методики регионального моделирования теплового состояния термокритических КПМ. Указанная методика основана на учете эффекта локализации влияния специфики всех условий однозначности, характеризующих каждый конкретный КШ. Методика содержит три основных этапа. На первом этапе выполняется приближенная оце..ка температурного режима ПУ в целом и находятся местоположения термокритических компонентов монтажа. При этом производится понижение размерности соответствующей задачи теплопереноса, упрощаются тепловые и математические модели, описывающие температурные режимы ПУ, и т.д. На втором этапе определяются размеры к конфигурация зон регионального влияния, т.е. подобластей, пределами которых практически ограничивается влияние на рассматриваемый процесс особенностей условий однозначности, отвечающих термокритическим компонентам монтажа. На третьем, завершающем этапе определяется тепловое состояние собственно термокритических КПМ. При этом задачи теплопереноса решаются лишь для подобластей, содержащих соответствующие зоны регионального влияния. Как показали проведенные исследования, использование методики регионального моделирования позволяет существенно упростить процесс нахождения решения формулируемых тепловых задач.

Реализация данной методики осуществлялась с использованием предложенного в работе локально-сетевого метода конечных элементов. Основная идея ЛС НКЭ состоит в объединении характерных достоинств различных численных методов, а именно, метода конечных элементов и сетевых методов. То есть в ЛС УКЗ совмещаются универсальность и эффективность методов конечных элементов с индифферентностью к пространственной размерности и: физической наглядностью, свойственной сетевым методам. Отмеченное локально-сетевое построение предлагаемого метода позволяет сохранить в нем общие принципы реализации стандартных НИЗ и дает возможность при определенных условиях получить идентичные результирующие системы алгебраических уравнений для ЛС ШЭ и ЫКЭ.

Важнейшей особенностью ЛС ЫКЭ является способ определения'коэффициентов результирующей системы алгебраических уравнений. Последние интерпретируются как термические проводимости соответствующих ветвей сети. В качестве примера рассмотрим особенности нахож-

- б -

$ г Const

q Jutifi

Рие. 1. К определению проводимостей

ветвей ячейки сети при решении двумерных' задач теплопроводности на основе ЛС МКЭ.

дения проводимостей ветвей ячейки сети при решении двумерной задачи теплопроводности. Дискретизация области реализуется с использованием треугольных элементов с тремя узлами в вершинах (рис. 1).

Согласно известному подходу сетевых методов, каждому элементу дискретизации ставится в соответствие ячейка сети из трех стержней с проводимостями Sl2. G23. G31. для определения данных проводимостей в Лб МКЭ используется условие эквивалентности обеих указанных систем по температурам в узловых точках и переносимым тепловым потокам. Причем достаточно выполнить это условие при q =» const, поскольку в данной си туации процесс теплопереноса в пределах каждого элемента ризуется постоянством вектора плотности теплового nc ";j!a q.

Пусть направление вектора плотности теплового потока q определяется углом наклона <? к стороне 12, рассматриваемого треугольника (рис. 1). Тогда,'заменяя тождественно распределенные по сторонам треугольника тепловые погаси на эквивалентные сосредоточенные в узлах тепловые нагрузки, получим

Ql =-lql-sinip-k-112'в + |q|-sin(»+T}-Cl-n)-131-в;

02 = -iq|-slni?-(l-k)-li2-5 - |q|-sln(s-f)-m-123-5; (1)

03 = -|q|-sin(c-9)-(l-m)-123-5 + |q|-sin(ip+T)-n-l3i-a,

где k. m. n - приведенные длины участков сторон треугольника (к - 1ц/112, m - l2j/l23, n - 1зг/1з1). б - толщина треугольника.

Принимая во внимание выражение (1), с учетом выполнения условий теплового баланса в узловых точках окончательно получим следующие соотношения для определения проводимостей ветвей ячейки сети

- б -

Х-8

• (1гэ - 112-созе) ;

012 =

2-112-з1пе л-5

623 =

• (113 - 123'с058) ;

Х-5

• (112 - 131-созт) .

ВЭ1 -

2*1з1"31пг

Выполненный в работе анализ применительно к нестационарным задачам теплопереноса различной пространственной размерности показал, что предлагаемый метод характеризуется следующими основными достоинствами: .

- высокой эффективностью процесса нахождения решения при наличии разнородных конструктивных элементов и объектов с одним или двумя преобладающими размерами;

простотой реализации решения в плане определения коэффициентов результирующей системы уравнений и в отношении возможности осуществления единого подхода к определению параметров сети при использовании различных по конфигурации и пространственной размерности элементов дискретизации;

- возможностями интегрирования разработанного на базе предлагаемого метода программного обеспечения в существующие САПР.

Значительное внимание в данной главе уделено также рассмотрению основных подходов, применяемых для оценки достоверности результатов выполненных вычислительных экспериментов.

Вторая глава диссертации посвящена изучению процессов тепло-переноса, протекающих в условиях монтажа единичных КПМ с применением газового нагрева. Приводятся результаты исследований особенностей теплового состояния ПУ при использовании различных схем нагрева зоны пайки - одиночной круглой струей снизу (рис. 2а), одиночной круглой струей сверху (рис. 26), плоскими, профилированными по периметру Ш струями сверху (рис. 2в) и комбинированный нагрев одиночной круглой струей снизу и плоскими, профилированными по периметру МК струями сверху (рис. 2г).

Теплофизический анализ рассматриваемой ситуации проводился на базе решения следующей объемной нестационарной задачи Стефана

)

" к • WS ш Cv(x-y'z-0) * WS '

i.V.» - ( д.

при О < Fo < Fo® , при Foo < Fo С Fok ;

69 an

__31¿ . о - ее) l ;

ГС Л(х,у,2,в) 1 |Гс

(4)

ае i В1г(».у.2)

.-Ж irr=' лоГ^в) ' (в " 0Г) |ггг (б) в^-*. (в)

гдв'Гоф - число Фурьа, отвечающэе моменту времени а который сред-необъемная температура припоя достигает температуры солидуса; Fok - число Фурье соответствующее времени окончания процесса; Q, Ü* - пространственная область, отвечающая ПУ до и после пайки; К^^иелб фагового перехода. K=ao-po-LAa-to; S- относительная доля_ жидкой фазы; 0с. вг - безразмерная температура окружающей среды и греющего газа; Гг, Гс - участки поверхности ПУ, на которых имеет место соответственно теплообмен с теплоносителем и окружающей оредой; Bir. Bic - числа Bi йа соответствующих поверхностях ПУ; L - удельная теплота плавления (кристаллизации).

Выполненный сравнительный анализ эффективности рассматриваемых схем нагрева ПУ показал, что в плане минимизации теплоподвода Q наилучшей является схема N 3, аа ней следует вторая схема (здесь величина Q выше примерно яа 8Х); в четвертой и первой схемах эта величина превышав? таковую для третьей схемы на 16Х и 33Z соответственно. Что же касается реализации благоприятных температурных режимов ПУ, то согласно полученным данным наилучшей в целом также оказывается третья схема, несколько уступает ей схема N 4, наихудшей же является вторая схема.

Специальные исследования были проведены для выявления эффектов влияния на тепловое состояние ПУ условий термического взаимодействия между UK и платой.

Определенное внимание уделено в работе анализу закономер-

О 5 10 13 X, 10"а о 5 10 15 к,10"*

Рис. 2. Схемы нагрева зоны пайки и соответствующие им температурные поля ПУ при монтане МК типа Н на поверхность керамической Ш для у-0, Го-1,42: 1- Ш; 2 - МК; 3 - газовый паяльник с круглым соплом; 4 - газовый паяльник со щелевым соплом; а) нагрев одиночной круглой струей снизу (схема М 1); б) нагрев одиночной круглой струей-сверху (схема N 2); в) нагрев плоскими, профилированными по периметру УК струями сверху (схема N 3); г) комбинированный нагрев - одиночной круглой струей снизу и плоскими, профилированными по периметру МК струями сверху (схема N 4).

ностей изменения температурных режиме® ПУ при варьировании величины угла между осью струи и горизонтальной поверхностью ПП в случае использования третьей и четвертой схем нагрева зоны пайки.

Освещаются результаты математического моделирования термонапряженного состояния ПУ при газовой пайке.

В данной главе рассматриваются также вопросы, каеадаеся особенностей проявления в анализируемых условиях эффектов регионального влияния. В частности, показано, что с эффектами регионального влияния поверхностного характера источника нагрева и особенностей геометрических и теплофизических характеристик собственно монтируемого МК связана наблюдаемая в данной ситуации тенденция к вырождению размерности процесса теплопереноса. то есть к его трансформации из трехмерного в двумерный и т.д.

В третьей главе приводятся результаты исследований закономерностей протекания процессов теплопереноса в условиях газовой пайки при наличии множества ИЗТ. Здесь решение задач рассматриваемого класса для ПУ в целом находилось на основе методики регионального моделирования. Рис.3 иллюстрирует особенности постановки задачи теплопереноса на первом этапе реализации данной методики для ситуации пайки идентичных в конструктивном отношении КЩ г-*17лярно расположенных на поверхности ПЛ.

Освещаются результаты выполненного комплекса вычислительных экспериментов по изучению закономерностей влияния на тепловое состояние ПУ различных технологических и геометрических параметров - плотности монтажа электронных компонентов, геометрических характеристик собственно ПП, местоположения монтируемых компонентов на плате и т.д. На рис.4 в качестве примера приведены данные о распределении температуры в ПУ при различном местоположении монтируемого МК на плате. Как видно, отличия температур для сопоставляемых ситуаций могут быть весьма существенными. (Так, расхождение максимальных безразмерных температур для МК, расположенного в центре ПП, и наиболее удаленного от центра платы периферийного углового МК составляет 0,215). Это обстоятельство обусловливает необходимость корректировки условий теплоподвода при реализации технологического процесса пайки по мере удаления от центра ПП к ее периферии.

Выполненный анализ позволил провести ранжирование рассматри-

а) $

0 &

ш и ® ® ® &

® и ® а © © ^ е'о © & ® э

V Я

ппЯ1.н«,'гМ2\^,Н!2;'гайовке заДачи тешюперенооа для первого этапа Регионального моделирования: а) схема нагрева - ПУ; 2 - газовый паяльник; 0} за-ПУ: 1 - Ш; 2 - ЫК; 3 - припой; 4 - вывод 5 -..ЭТ«* 6 - кри®«3 7 - воздушный зазор; в) ^сочно-однородная область, отвечающая ПУ после замещения.

1.1

Oi

m

'"-»у N А ..... г _

у V \ \ У

V j

a

4*

m

а

(S

Zff

Рис. 4. Распределение безразмерной температуры ПУ вдоль оси абсцисс з сечении у«0 при центральном (—•—) и у»0,1б8 при периферийном угловом (—ir-—) расположении монтируемого МК; 1 - Fo-0,63; 2 - Fo-1,42.

ваемых факторов по степени их влияния на тепловое состояние монтируемого МК. Для исследуемого диапазона изменения параметров'в порядке убывания влияния эти факторы располагаются следующим образом: толщина ПП, местполсжение монтируемого МК на плате, плотность мопгажа. .размеры КП в плане. При этом в рассматриваемой ситуации максимальные изменения безразмерной температуры составляют о,323 при варьировании толщины ПП, 0,215 - в случае изменения местоположения МК на ПП, 0,083 - при изменении плотности монт&ка и 0.063 -при варьировании продольных размеров ПЛ.

Четвертая глава посвявдна изучению закономерностей изменения теплового состояния ПУ в условиях ИК-пайки о использованием предварительного резистивиого нагрева

Анализ рассматриваемо» ежгуэдет проводился в два этапа. На юрвом этапе выполнялось исследование температурных режимов собственно печатных плат, на втором - ¡сак плат, так и монтируемых на !ЙХ КПМ.

Для условий, отвечающих первому этапу, установлена определения иерархия математических моделей исследуемого процесса теплопе->еноса. Каждая из таких моделей соответствует конкретной степени ¡хематизации рассматриваемой физической ситуации. Предложенная ие-архия охватывает весь практический диапазбн теплофизических войств ПП - о? низкотеплопроводных (стеклотекстолитовых) до высо-

котеплопроводных (керамически)

Приведем в качестве примера одну ив моделей указанной иерархии.

д дв л д /. дв \ „ дв

(Л — } + —(Л — ) ■ Су ~ , (0<х<Ь. 0<у<5. 0<Ро<Ро6), (7) * вх > й^Л ЗУ ) зРо

- О, (8)

фо дх / бу^ ду > " ЗРо

39

ае Зу

у-б

х-0 х-Ь

О при 0<х<Ре-Ро, СХРоСГо,

при Ре-Го<х<Ь, 0<Ро£Ро", ' при 0<х<Ь, Ро*<Ро<Ро1г_ _ при 0<х<Ре-(Ро-Ро1); Ро1<Ро<(Ро1+Ро#),

(8-6СТ1) -В11----

(9)

». (&-0СТ2) (при Ре • (Ро-Ро1)<х<Ь, Ро1<Ро< (Ро1+Ро*),

-В12--г- {„

Л ^П

\при 0<Х<Ь, (р01+р0*)<рб<р02.

ае

ау

у=0

О при 0<х<Ре-Ро, 0<Ро<Ро ,

при Ре-Ро<х<Ь, СКРо^о", при 0<х<Ь, Ро*<Ро<Ро1. при 0<х<Ре •(Ро-Ро!), Ро1<Ро<(Ро1+Ро*),

К11 Л

К12 Л

К1а Л

при 0<х<Ре■(Го-Рог), Рог<Ро<(Рог+Ро"), при Ре-(Ро-Ро1)<х<Ь, Ро1<Ро<(Ро1+Ро*). при 0<х<Ь. (Ро1+Ро*)<Ро<Ро2.

при Рв'(Ро-Рог)<х<Ь. ?ог<?а<(?ог+?о*), при 0<х<Ь, (Ро2+Ро*)<Ро<Роэ, При 0<х<Рв-(Ро-Роэ). Роз<Ро<Ро4. при 0<х<СЬ-Ре•(Ро-Роз)3. Ро4<Ро<(Роз+Ро*).

(10)

при Ре-(Ро-Роэ)<х<Ь, Роз<Ро<Ро4,

при СЬ-Ре•(Ро-Роэ)3<х<Ре •(Ро-Ро4), Ро4<Ро<(Роз+Ро"),

при 0<х< СЬ-Ре • (Ро-Ро4) 1. (Роз+Ро*)<Ро< (Ро4+Ро*).

Св-8с1)

при [Ь-Ре>(Ро-Ро4)]<х<Ь,(Роз+Ро")<Ро<(Ро4+Ро"),

при 0<х<Ь, (Ро4+Ро*)<Ро<Ро5.

при 0<х<Ре-(Ро-Ро5), Роз<Ро<(Го5+Ро*),

Bi2

(в-вс2)

при Ре-(Fo-Fo5)<x<b, Foo<Foi(F05+F0*), при 0<X<b, (Fos+Fo*)<Fo<F00,

81 = во.

lFo-0

(10)

(11)

Фигурирующие s данной модели граничные условия отвечают приведенной на рис. 5 схеме задания условий теплообмена Ш с печью для ЯК-пайки, в математической модми (7) - (11) подстрочные индексы при безразмерной температуре относят ее соответственно: СТ1 - к крышке печи в зоне 1"; СТ2 - к ИК-нагревателю в зоне 2"; Cl, С2 - к охлаждающему воздуху в зонах б и 8; Foi, F02, Foi (1=1.2....6) - числа Фурье, отвечающие временам прохождения платой расстояния от вачада печи до конца соответственно зон l*,2*,lt2.....6; Fo* - число фурье, относящееся ко времени, в течение которого Ш проходит расстояние равное ее длине; Kij - число Кирпичева в зонах 1,2,3. Kii=qi-lo/*o-to. (1=1.2.3): Bîï, Bii, BI2 - числа B1 соответственно в зонах 1*,2*,5 и 6; b. ô безразмерные длина и толщина плата, b = bp/1. S = бр/1.

BiS.

Рис. 5. Схема печи для ИК-пайки: 1 - ПУ; 2, 3, 4 - секции предварительного резистивного вагрзза; '5.6 - секции ИК-нагрева; 7 - транспортер; 8 - крышка; 9 - вентилируемый канал; 10 - крышка стола печи; 11 - оребренная поверхность.

В рамсах второго из указанных этапов выполнен теплофязический анализ ситуаций, отвечающих условиям ИК-пайки различных изделий электронной техники, а именно - безвыводных (матричного металлоке-рамического МК. рис. 6а), и НТК. рис. 66)) и с планарными выводами

Fhc. б. Типы зседедузыых кошокектов поверхностного «онтада: а) матричный «К; 0) UTK; в) пластмассовый ЫК; г) периферийный UK (типа Н); 1 - ПП; 2 - ПК; 3 - припой: 4 - вывод; б - контактная площадка; в - кршга ШС; 7 - кристалл; 1, II, 111, IV - пчяныв соединения.

(пластмассового МК с выводом типа "крыло чайки", ркс.бв), и мэтэл-локерамического периферийного МК типа И, рис.бг)), При этом особое внимание уделялось установлению эакономер :остей воздействия на температурные режимы ПУ различных теплсзфизических и технологичесг ких факторов, таких как материал ПП, местоположение МК на плате) теплота фазового перехода в припое " т.д.

1. Установлены основные закономерности процессов теплоперено-са, протекающих в условиях осуществления прогрессивных технологий поверхностного монтажа печатных узлов с применением различных способов нагрева зоны пайки - струей газа и ИК-нагрева.

2. Реализован специальный подход к расчету температурных режимов ПУ - методика регионального моделирования теплового состояния термокритических компонентов монтажа. Данная методика базируется на использовании различных эффектов регионального влияния и позволяет значительно повысить эффективность моделирования температурных режимов печатных узлов, монтируемых с применением газовой и ИК-пайки.

Рис. 7. Зависимость безразмерной температуры ПК-нагревателя от числа Ре, полученная при контроле максимальной (1) и минимальной (2) температуры припоя.

1,35

о £/5 ^е

Полученные данные о тепловом состоянии ПУ использовались для решения задачи по выбору ссйсшнх режшшх. параметров при разработке Саговых технологических процессов поверхностного монтажа. На рис.7 в качестве примера представлены результаты решения такой задачи применительно к определению взаимосвязи важнейших режимных параметров ИК-пайки старости перемещения транспортера печи (числа Ре) и соответствующей ей температуры ИК-нагревателя (8ик)- Заатрй-хсванная область на графике отвечает зоне допустимых технологических режимов ИК-пайки.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

3. Разработан численный метод решения задач переноса в областях сложной конфигурации - локально-сетевой метод конечных элементов. В основу метода положена идея объединения основных преимуществ методов конечных элементов и сетевых методов. Показано, что применение локально-сетевого МКЭ особенно эффективно'для решения многомерных задач теплопереноеа при наличии разнородных конструктивных элементов и объектов с одним или двумя преобладающими размерами.

4. Сформулированы уточненные математические модели рассматриваемых процессов теплопереноеа и разработано программное обеспечение для ЭВМ, реализующее предложенные методические приемы и позволяющее проводить расчеты в широком диапазоне изменения определяющих параметров.

5. Выявлены характерные особенности температурных режимов печатных узлов при монтаже единичных электронных компонентов на поверхность коммутационных плат в условиях нагрева с использованием индивидуальных газовых паяльников. Выполнен анализ эффективности различных схем подвода теплоносителя к печатным узлам при пайке -одиночной круглой струей нагретого газа сяизу, одиночной круглой струей сверху, плоскими профилированными по периметру ЫК струями сверху, комбинированного подвода - одиночной круглой струей снизу и плоскими профилированными по периметру ЫК струями сверху. Выявлено влияние на тепловое состояние ПУ угла между осью струи теплоносителя и горизонтальной поверхностью ПП а также условий теплового взаимодействия монтируемого КПМ с ПП.

6. Установлены закономерности изменения температурных режимов печатных узлов, монтируемых в условиях газовой пайки при наличии множества КПМ. Изучены зависимости теплового состояния ПУ от местоположения монтируемого компонента на плате, плотности монтажа, размеров Ш и,т.д.

.7. Выполнен анализ основных особенностей протекания процессов теплопереноеа при поверхностном монтаже ИЭТ с использованием ИК-ндгрева. Построена иерархия математических моделей, описывающих температурные режимы высоко- и яизкотеплопроводных Ш. Установлены закономерности изменения теплового состояния ПУ для ситуаций, отвечающих условиям ИК-пайки различных КПК - безвыгодных (матричного металлоюзрамического Ш и НТК) и с пленарными выводами (пластмассового ЫК с выводом типа "крыло чайки" и металлокерамического периферийного • ЫК типа Н). Изучены эффекты влияния на температурные

режимы ПУ при пайке таких Факторов, как скорость движения транспортера печи, материал ПП, теплота фазового перехода в припое и т.д.

8. Выявлены особенности проявления различных эффектов регионального влияния при реализации анализируемых технологических процессов поверхностного монтажа.

9. На базе результатов выполненных исследований разработаны и оптимизированы технологические процессы монтажа печатных узлов с использованием различных способов нагрева ПУ - струей нагретого газа и ик-иэлученйем.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В РАБОТАХ:

1. ФиалкоН.М.. Прокопов В.Г., Сариогло В.Г., Грачев a.a. Математическое моделирование процессов теплопереноса в печатных платах применительно к технолог®! поверхностного монтажа электронных узлов с использованием ИК-пайки // Тепло- и массясбмен в технологии я эксплуатации электронных и мшсроэлектронных систем: Материалы международной кк.-семинара, г.Минск, 19-24 сентября 1389 г. -Минск. 1990. - 4.2 - С.30-39.

2. Швею ЮЛ., ©1алко H.Ii., Прокопов В.Г., Грачев A.A., Сарюгло В.Г. Анал1з температурних режима печатних плат у техно-лопчних процесах поверхневого монтажу електронних компонентхв // Допов1Д1 АН УРСР. - 1990. - N9. - С.65-70.

3. Ф1алкоН.М.. Прокопов В.Г., Сарюгло В.Г., Грачев A.A., Чебанова В.Н. Досл1дження процес!в тэплопереносу при поверхневому монтаж! м1крокорпус1в 1нтегральних схем // Доповш АН урср. -1091. - N1. - С.59-64.

4. Ф15ЛК0 Н.Ы.. Прокопов В.Г., Сарюгло В.Г.. Грачев A.A. Ма-тематичнемоделювання теплового стану печатних вузлгз стосовно' до технологи поверхневого монтажу електронних компоненте // До-п031д1 АН УРСР. - 1991. - N5. - С.86-91.

5. Прокопов В.Г. .Фиалко Н.'-1.. Сарпсгло В.Г., Грачев'A.A. Ма-тематичесгаэ моделирование процеи,- • теплопереноса при Монтаже электронных компонентов па поверхность йечаишх плат // Иня.-физический журнал. - 1991. - Ol, Ü2. - С.204-210.

6. Прокопов В.Г.; Фиалко H.H.. Сариогло В.Г., Грачев A.A., Чебанова В.Н. Анализ процессов теплопереноса при монтаже электронных компонентов с использованием рззиетивного и ИК-нагрева // Электронная обработка материалов. - 1991. - N2. - С.56-61.

7. Прокопов В.Г., Фиалко Н.М., Сариогло В.Г., Грачев A.A. Особенности процессов теплопереноса при пайке иаделий электронной техники с планарншя выводами // Изв. ВУЗов СССР. Приборостроение, - 1991. - N7. - С.94-101.

8. Прокопов В.Г., Фиалко Н.М., Сариогло Б. Г., Грачев A.A., Рызкин Е.М. Исследование теплового состояния печатных узлов в условиях технологии тазовой пайки // Докл. АН УССР. - 1991. - N12. -С. 50-56. *

9. Грачев A.A., Рывкин Е.М., Фиалко Н.М., Прокопов В.Г., Сариогло В.Г., Мааур А.И. Теплоперенос в условиях пайки ИС на .поверхность струей нагретого газа // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 1992. - N1; - С. 22-26.

10. Фиалко H.H., Сариогло В.Г., Чебанова В.Н. и др. Тепловое состояние монолитного танталового конденсатора' в условиях пай« инфракрасным излучением // Автомат, сварка. - 1992. - N3. -С. 26-30.

11. Прокопов В.Г., Фиалко Н.М. , Сариогло В.Г. и др. Анализ схем струйного нагрева при пайке корпусов КС // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. - 1993. - N1, - С.43-44.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

8 - безразмерная температура, 8-t/tji; Fo - число Фурье, Fo-ao-t/12; Л, Cv - безразмерные коэффициент теплопроводности и удельная объемная теплоемкость, /WX/\o. Cv-cv/cvü: х, у, 2 - безразмерные координаты прямоугольной системы координат, х=хр/1, у»уР/1, г-2р/1; В1 - число Био, Bl-a-l/Xo; п - нормаль к поверхности; ре - число Пекле, Pe-V-1/ao; а - коэффициент температурой проводности; Г - время;. 1 - характерный размер; \ - коэффициент теплопроводности; cv - удельная объемная теплоемкость; р - пряность; L - удельная теплота плавления (кристаллизации); t - температура; tji - температура ликвидуса для материала припоя; а - коэффициент, теплоотдачи; V - скорость; q - плотность теплового потока. Индексы: "р" - размерная величина; "О" .- характерное или начальное значение. Ш - инфракрасный; ИЭТ - изделие электронной техники; КПП - компонент поверхностного монтажа; ЛС ЫКЗ - локально-сетевой метод конечных элементов; МК - микрокорпус; МКЗ - метод конечных элементов; МТК - монолитный танталовый конденсатор; ПП - печатная

плата; ПУ - печатный узел: САПР - система автоматизированного проектирования.

SUMMARY

Sariogio V.S. Modeling of the heat transfer processes during surface mounting of electronic components.

Thesis for a candidate's degree of technical sciences on speciality 05.14.05 "Theoretical thermal technology". Institute of Technical Thermophysics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 1995.

Certain baäic laws are established which govern heat transfer processes arising in new promising technologies for surface mounting of printed assemblies with the use of tho two different types of solder area heating, namely the gas Jet and infrared heating. Some special-propose methods are suggested and implemented for computing the thermal condition of printed assemblies during soldering. We present the refined mathematical models of beat transfer processes in question and develops the corresponding software, which allow computation to bo carried out In a wide practical range of characteristic parameters. The effect of various . thermal and technological factors on the thermal condition of printed assemblies are studied. We analyse the relationship between most important parameters, determining the conditions of technological processes under consideration.

АННОТАЦИЯ

Сариогло В.Г. Моделирование процессов теплопереноеа при поверхностном монтаже электронных компонентов.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.05 "Теоретическая теплотехника". Институт технической теплофизики HAH Украины. Киев. 1995.

Установлены основные закономерности протекания процессов теплопереноеа при реализации прогрессивных технологий поверхностного монтажа печатных узлов с использованием различных способов нагрева зоны пайки - струей газа и инфракрасного нагрева. Предложены и реализованы специализированные методические приемы расчета температурных режимов печатных узлов при пайке. Сформулированы уточненные

математические модели рассматриваемых процессов тешюпереноса и разработано программное обеспечение для ЭВМ. позволяющее проводить расчеты в шроком . практическом диапазоне изменения определяющих параметров. Изучены эффекты влияния на температурные режимы печатных узлов различных теплофизических и технологических факторов. Выполнен аяалйа взаимосвязи важнейших режимных параметров изучаемых технологиических процессов.

Ключов1 слова ; температурн1 режими, математичне моделювання, поверхневий монтаж, печати! вузлм, електронн! компонента.

Подпйсано к печати Я-5.>395п, формат 60x84/16 Бумага офоеткая Усл.-печ.лист, (,0. Уч.-изд. ист 1,0. Тираж юо, Заказ узз.

Полиграф." уч-к Института электродинамики Ж Укрзянн, 252057, Киев-57, проспект Победа, 56.