一种虚焊检测有限元仿真分析方法与流程

本发明属于焊点质量检测技术领域，更为具体地讲，涉及一种虚焊检测有限元仿真分析方法。

背景技术：

随着电子制造业的飞速发展,表面贴装器件广泛地应用到电路系统中，元件尺寸越来越小，安装密度越来越高，过热或温度梯度过大均会导致电路系统失效。据统计，电子产品整机故障有将近一半是由于焊接不良引起的。板级封装焊点提供了芯片和电路板之间的机械和电气连接，单一焊点的失效可能会导致整个电路系统的故障，因而焊点质量是影响电路系统可靠性的关键性因素。近年来，关于焊点缺陷检测和识别研究成果多集中于bga封装中形状规则的焊球，带引脚器件的焊点形状不规则，缺陷的影响规律较为复杂，其相关研究不多且不够深入。

涡流脉冲热成像检测技术作为一种新兴的无损检测技术，可以在较短的时间内实现较大范围的检测，具有较高的检测效率和分辨率，而且该方法也逐渐应用于焊点等微小结构的检测。基于涡流脉冲热成像进行焊点缺陷检测中，主要研究是针对于bga焊球裂纹和空洞缺陷，虚焊缺陷由于尺寸较小、隐藏较深，其检测难度较大，因而在进行虚焊研究时利用有限元软件进行仿真建模，为虚焊检测提供具体数值分析理论依据和指导。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种虚焊检测有限元仿真分析方法，利用电、磁、热等物理场之间的耦合效应进行多物理场数值分析，实现虚焊检测。

为实现上述发明目的，本发明为一种虚焊检测有限元仿真分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、基于涡流脉冲热成像检测原理对虚焊质量问题进行分类；

将虚焊导致引脚与焊点间没有完全连接归为第一类，将虚焊导致焊点与焊盘间没有完全连接归为第二类；

(2)、建立正常焊点的有限元模型；

利用电磁感应热模块建立焊点的有限元模型，其中，利用立体单元模拟相关焊点，每个焊点的有限元模型包括引脚、焊点和焊盘，各个焊点的有限元模型统一装配封装到器件上，在与器件中心轴线平行方向的上方安置一激励线圈，通过对激励线圈加载电流形成磁场来进行主动式检测；

(3)、建立虚焊焊点的有限元模型；

根据虚焊的分类，在虚焊焊点处设置相同大小、不同类型的虚焊；

(4)、计算有限元模型，提取正常焊点和虚焊焊点引脚的上表面平均温度变化曲线，对比平均温度变化曲线区分出正常焊点和虚焊焊点；

(5)、利用热电类比方法计算虚焊焊点的热阻，提取出虚焊焊点热阻变化曲线，通过对比热阻变化曲线区分虚焊类别；

(6)、获取热阻随虚焊尺寸变化的曲线，得到热阻与虚焊的长度、宽度和高度之间的关系；

(7)、根据热阻与虚焊的长度、宽度和高度之间的关系，得到热阻随虚焊面积的变化规律，再根据该变化规律进行缺陷表征，从而完成虚焊缺陷的初步量化。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种虚焊检测有限元仿真分析方法，基于涡流脉冲热成像技术建立焊点的有限元模型并引入虚焊进行仿真分析，通过提取焊点相应引脚位置的表面温度分布情况来区分正常焊点和虚焊焊点，再利用热电类比方法计算焊点区域的热阻值，根据焊点热阻的差异性来区分不同的虚焊，这样为虚焊的无损检测提供一种分析方法，且检测速度快、检测缺陷精准，同时也为工程中的虚焊检测提供理论依据和预测结果。

附图说明

图1是本发明一种虚焊检测有限元仿真分析方法流程图；

图2是焊点有限元模型示意图；

图3是不同焊点的引脚表面平均温度变化曲线；

图4是不同焊点的热阻变化曲线；

图5是焊点热阻与虚焊尺寸关系曲线；

图6是焊点热阻值与虚焊面积关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

为了更好地说明本发明的技术内容，首先对本发明所应用的理论进行说明。本发明是基于涡流脉冲热成像技术来对焊点虚焊进行有限元分析，其中，涡流脉冲热成像检测技术利用载有高频交流电的线圈靠近被测试件，根据电磁感应原理，会在试件表面或内部感应产生涡流。由于导体本身存在电阻，根据焦耳定律，部分涡流将会在试件内部由电能转化为热能，且产生的热量q为

其中，σ表示材料的电导率，js表示感应产生的涡流密度。

产生的热量q在试件各结构之间进行传递，其热传导方程为：

其中，ρ表示材料的密度，cp表示材料的热容量，v·表示散度运算符，▽表示梯度运算符，k表示材料的热导率；

器件上有两条主要传热路径：引脚上大部分热量沿着引脚向下传导至焊锡处或进一步通过焊点传导至pcb板，pcb板再与空气进行对流辐射换热；小部分热量通过引脚表面与周围空气进行对流辐射换热。虚焊缺陷会阻碍热量的传递，进而影响表面温度分布。通过记录温度场变化并进行数据处理即可实现正常焊点和虚焊焊点的区分。

由于焊点尺寸较小且形状复杂，虚焊导致的温度变化也很小，无法区分不同的虚焊，为此引入热阻来表征虚焊。根据电热类比的原则，将热阻、温度和热流分别类比于电阻、电势和电流。定义焊点热阻为焊点两端温差δt与流经焊点的热量的比值即：

虚焊会导致空气隔离层，空气导热性能较差，因而焊点热阻值增大，据此可以区分不同的虚焊缺陷。

图1是本发明一种虚焊检测有限元仿真分析方法流程图。

在本实施例中，如图1所示，本发明一种虚焊检测有限元仿真分析方法，包括以下步骤：

s1、基于涡流脉冲热成像检测原理对虚焊质量问题进行分类；

根据虚焊产生的位置对焊点的虚焊缺陷进行分类，便于在模型中建立虚焊缺陷，其中，将引脚与焊点间未完全连接的虚焊质量问题归为第一类，将焊点与焊盘间未完全连接的虚焊质量问题归为第二类。

s2、建立正常焊点的有限元模型；

利用电磁感应热模块建立焊点的有限元模型，其中，利用立体单元模拟相关焊点，每个焊点的有限元模型包括包括引脚、焊点和焊盘，各个焊点的有限元模型统一装配封装到器件上，在与器件中心轴线平行方向的上方安置一激励线圈，且激励线圈与器件一侧引脚垂直，通过对线圈加载电流形成磁场来进行主动式检测。

s3、建立虚焊焊点的有限元模型；

根据虚焊的分类，在虚焊焊点处设置相同大小、不同类型的虚焊；

在本实施例中，首先设立空气域模拟实验环境，然后在空气域中，利用立体单元模拟相关焊点，建立每个焊点的有限元模型，其中，每个焊点的有限元模型均包含引脚、焊点和焊盘，最终连接到pcb板并封装。

在与pcb板中心轴线平行方向的上方安置一激励线圈，激励线圈与pcb板一侧引脚引脚垂直。虚焊缺陷利用空气域进行替代，虚焊焊点处设置为0.5mm×0.3mm×0.065mm。那么，焊点的有限元模型如图2所示。

在本实施例中，选用长直导线线圈作为激励线圈，假设长直导线线圈无限长。由安培环路定理可知，当无限长直导线线圈上加载电流i时，线圈周围的磁感应强度大小为：

其中，μ表示材料的磁导率，b为磁感应强度，h为被测试件到线圈距离，i为加载电流；

线圈周围的磁感应强度b随着被测试件到线圈距离h的增加而减小。采用长直导线线圈作为激励线圈，可以使得在与线圈平行的方向上的磁感应强度是相等的。因而热传导只发生在垂直于线圈的方向上，即热平衡的过程可以简化为一维热传导。

s4、计算有限元模型，提取正常焊点和虚焊焊点引脚的上表面平均温度变化曲线，对比平均温度变化曲线区分出正常焊点和虚焊焊点；

在本实施例中，利用载有高频交流电的长直导线线圈靠近被测器件，在材料表面或内部感应出涡流，根据焦耳定律，涡流转化为焦耳热，热量在器件各个结构之间进行传递，通过记录温度场变化并进行数据处理，即可实现正常焊点和虚焊焊点的区分。

为了分析表面温度变化情况，现提取各引脚上表面的平均温度变化曲线，如图3所示。图中p1,p2和p3分别代表引脚与焊点之间未完全连接，焊点与焊盘之间未完全连接以及漏焊三种缺陷。由图3可知，加热阶段表面温度快速上升并在加热结束时刻达到温度峰值，一旦撤走激励源，表面温度将会逐渐下降，正常焊点处的引脚上表面的平均温度比缺陷焊点处的温度要高，图中p1,p2两条曲线重合且p3曲线代表的漏焊焊点处引脚上表面平均温度最低，因而，根据平均温度变化曲线可以区分正常焊点和虚焊焊点。

s5、利用热电类比方法计算虚焊焊点的热阻，提取出虚焊焊点热阻变化曲线，通过对比热阻变化曲线区分虚焊类别；

由于焊点尺寸较小且形状不规则，焊点缺陷导致的温度差异较小，无法区分p1和p2两种类型的虚焊缺陷。由此引入热阻概念，量化分析缺陷对热量传递过程的影响。

当焊点缺陷存在时，焊点区域出现空气隔离层，空气的导热性能比焊点材料要差，因而焊点区域热阻会增大。通过计算焊点热阻，提取焊点的瞬态热阻变化曲线，如图4所示。图4中缺陷焊点的热阻值均大于正常焊点的热阻值，而且冷却一段时间后，焊点热阻值趋于一个稳定值。整个过程中，p1焊点的热阻值比p2焊点的热阻值要大。然而，当焊点漏焊时焊点区域不存在温度和热通量，因此不存在热阻值这一概念。图4中正常焊点热阻值约为6.03℃/w，p1焊点的热阻值为11.09℃/w，p2焊点的热阻值为7.64℃/w，由此可以区分p1和p2两种类型的虚焊缺陷。

s6、获取热阻随虚焊尺寸变化的曲线，得到热阻与虚焊的长度、宽度和高度之间的关系；

下面我们来分析焊点热阻值与虚焊尺寸之间的关系，研究热阻与虚焊的长度、宽度和高度之间的关系，实现缺陷的简单量化。

如图5所示，当虚焊缺陷的长度和宽度增大时，焊点热阻值也会增大，且虚焊长度的变化对焊点热阻影响最大，而缺陷的高度变化对焊点热阻值的影响则很小。由于虚焊缺陷的长度和宽度变化均会导致焊点与其相邻结构的未连接面积(称为虚焊面积)变化，而虚焊深度的变化不会导致虚焊面积的变化，因而可以提取焊点热阻与虚焊面积之间的关系。如图6所示，曲线1和曲线2分别表示虚焊宽度和长度变化导致虚焊面积变化时，焊点热阻值变化曲线。由图6可知，随着焊点虚焊面积的增大，其热阻值也相应增大，且呈二次方上升。图6中的两条曲线对比表明虚焊面积相等时，焊点热阻值也近乎相等，由此建立了焊点热阻与虚焊面积之间的对应关系。

s7、有了焊点热阻与虚焊面积的对应关系后，根据热阻随虚焊面积的变化规律，可以实现虚焊的初步量化。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。