一种再流焊冷却阶段下应力的焊点结构参数的优化方法技术

本发明专利技术提供了一种焊点再流焊焊后冷却应力的测量系统及方法中，结合响应面和人工蜂群算法减小再流焊冷却阶段下的焊点内的应力，具有很高的收敛可靠性和较高的收敛速度，能够较快地搜索到全局的最优解，极大的方便了后期焊点结构参数优化设计，在保持种群多样性及搜索全局最优解方面具有明显优势，且ANSYS应力值有所降低。实现了减小再流焊冷却阶段下的焊点内应力的目标，进而提高了焊点再流焊后服役可靠性。

An optimization method for the structural parameters of the solder joints under the cooling stage of reflow welding

The invention provides a measuring system and method for the cooling stress after reflow soldering, which combines the response surface and the artificial bee colony algorithm to reduce the stress in the solder joint under the cooling stage of reflow soldering, has high convergence reliability and high convergence speed, can quickly search for the global optimal solution, greatly facilitates the optimization design of the structural parameters of the solder joint in the later stage, and keeps the The group diversity and the search for the global optimal solution have obvious advantages, and the stress value of ANSYS is reduced. The goal of reducing the internal stress of solder joint in the cooling stage of reflow welding is realized, and the service reliability of solder joint after reflow welding is improved.

【技术实现步骤摘要】
一种再流焊冷却阶段下应力的焊点结构参数的优化方法
本专利技术涉及电子元器件封装与测试
，尤其是一种再流焊冷却阶段下应力的焊点结构参数的优化方法。
技术介绍
BGA(BallGridArray)封装器件具有体积小、高密度、高性能和信号延迟少等优点而被广泛用于各种电子产品中。焊点在BGA封装中起着电气连接、机械支撑及散热等作用，是封装结构中最为薄弱的环节。BGA器件在再流焊焊接过程中，由于BGA器件封装体和印制电路板(PCB)热膨胀系数不匹配，在焊接过程中引起形变进而产生的应力基本由焊点承担，因此相比具有柔性引脚的插接器件，BGA焊点的可靠性明显低于插接器件。针对焊点在再流焊过程中应力变化和再流焊工艺对焊点焊接质量的影响，国内外学者展开了相关研究。在国内，对板级组件再流焊接进行了研究，通过板级组件的结构和材料性能灵活地调整峰值温度与再流时间以优化再流焊曲线，提高焊点的焊接质量从而实现提高板级组件的可靠性；研究表明在再流焊过程中在焊点凝固前强制制冷能有效提高焊点质量；通过建立PBGA焊点二维模型进行再流焊冷却阶段加载仿真，分析了焊点材料(SAC387)在再流焊冷却阶段的力学行为，得出了焊点在冷却结晶后等效应力随温度的降低快速增加、焊点温度降至室温时等效应力为最大之后逐步降低的结论。在国外，研究表明再流焊冷却阶段焊点的冷却速率越低，焊点在低应力或循环应力条件下工作越容易出现缺陷；通过优化再流焊接过程峰值温度和冷却速率等因素以实现降低BGA焊点在焊接过程的缺陷率；研究表明BGA组件经过多次再流焊后，焊点的剪切强度降低从而加快了焊点的失效。响应面法是数学方法和数理统计结合的产物，是一种用近似的函数关系式表示变量与目标的拟合设计方法。该方法首先利用中心复、Box-Behnke设计、均匀等实验设计、均匀等实验方法建立因素的若干实验组合，分别对各进行获得相应目标值然后选择方法建立因素的若干实验组合，然后选择合适的数学模型对因素与目标结果表示，再运用最小二乘原理求得中未知系数，最后得到变量与结果的拟合函数表达式。RSM能通过较少的实验次数在一定范围内比较精确地逼近因素与目标值之间的函数关系，并用简单表达式展现出来，而且通过对回归模型的选择在一定范围内可以拟复杂响应关系，具有优良鲁棒性能，计算较为简单，为后期参数优化设计带来极大方便。人工蜂群算法，是一种基于群智能的全局优化算法，属于群智能算法的一种，具有很高的收敛可靠性和较高的收敛速度，能够较快地搜索到全局的最优解，极大的方便了后期板级组件BGA焊点结构参数优化设计。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种再流焊冷却阶段下应力的焊点结构参数的优化方法，能够响应面和人工蜂群算法减小再流焊冷却阶段下的焊点内的应力，具有很高的收敛可靠性和较高的收敛速度。为了达到上述目的，本专利技术提供了一种再流焊冷却阶段下应力的焊点结构参数的优化方法，包括：基于ANSYS建立再流焊后焊点在冷却阶段下的仿真分析模型，并在所述仿真分析模型中施加冷却阶段的温度载荷，以获取焊点的应力值；获取影响焊点应力值的影响因素以及影响因素的参数水平值；在响应面下获取影响因素与应力值之间的函数关系，并利用多组实验样本对所述函数关系进行误差分析以确定所述函数关系是否正确；当所述函数关系正确时利用人工蜂群算法对焊点结构参数优化。可选的，所述仿真分析模型包括由上之下依次设置的芯片、焊点及PCB基板。可选的，所述影响因素包括焊点高度、焊点直径、焊盘直径和焊点间距中的一种或多种。可选的，所述参数水平值的水平数为3，因素数为4。可选的，所述实验样本至少包括30组，其中，至少25组为分析因子，至少5组为零点因子。可选的，利用人工蜂群算法对焊点结构参数优化的步骤包括：设置人工蜂群算法的约束条件、蜜蜂总数、最大迭代次数及进化代数；初始化种群，以得到每个初始解的适应度值；引领蜂于当前位置进行领域搜索，跟随蜂按照概率选择需要跟随的引领蜂；当蜜源位置经过一设定次数次循环以后未更新位置，则引领蜂变为侦查蜂，重新寻找蜜源，并记录领域范围内函数关系的最优解及对应参数。可选的，引领蜂按照如下公式进行邻域搜索：其中，j为解的维数；k∈{1，2，...，Ne}，Ne为种群个数，且k≠i，k，j均随机生成；为区间[-1，1]之间的随机数。可选的，所述概率的计算公式为：其中，fi为第i个蜜源的适度值。可选的，按照如下公式重新寻找蜜源：其中，j为解的维数，rand(0，1)为区间的随机数。在本专利技术提供的再流焊冷却阶段下应力的焊点结构参数的优化方法中，结合响应面和人工蜂群算法减小再流焊冷却阶段下的焊点内的应力，具有很高的收敛可靠性和较高的收敛速度，能够较快地搜索到全局的最优解，极大的方便了后期焊点结构参数优化设计，在保持种群多样性及搜索全局最优解方面具有明显优势，且ANSYS应力值有所降低。实现了减小再流焊冷却阶段下的焊点内应力的目标，进而提高了焊点再流焊后服役可靠性。附图说明图1为再流焊冷却阶段下应力的焊点结构参数的优化方法的流程图；图2为焊点再流焊冷却阶段下应力有限元分析模型图；图3为焊点温度变化图；图4为焊点阵列应力分布图；图5为迭代过程中最优解变化曲线图；图6为最优水平组合应力仿真图。具体实施方式下面将结合示意图对本专利技术的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本专利技术的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本专利技术实施例的目的。如图1所示，本实施例提供了一种再流焊冷却阶段下应力的焊点结构参数的优化方法，包括：步骤S1：基于ANSYS建立再流焊后焊点在冷却阶段下的仿真分析模型，具体如图2所示，并在所述仿真分析模型中施加冷却阶段的温度载荷，以获取焊点的应力值，仿真所得焊点温度变化图如图3所示，焊点阵列应力图如图4所示。其中所述仿真分析模型包括由上之下依次设置的4块BGA芯片、BGA焊点及PCB基板，4块BGA芯片及焊点参数来源于美国Micron公司生产的型号为M29W128GL70ZA6E的芯片，芯片的长度、宽度和厚度为13mm×11mm×0.8mm；BGA焊点均为8×8全阵列，焊点材料为无铅焊料SAC305，焊点的直径、焊点的高度、焊盘直径和焊点间距分别为0.6mm、0.40mm、0.48mm和1mm；PCB板尺寸为132mm×77mm×1mm。仿真分析模型的材料参数如下表所示：步骤S2：获取影响焊点应力值的影响因素以及影响因素的参数水平值，所述影响因素包括焊点高度、焊点直径、焊盘直径和焊点间距中的一种或多种，本实施例中，所述参数水平值的水平数为3，因素数为4，其因素水平表如下表所示：步骤S3：获取实验样本：采用响应面分析(BOX-Behnken)的中心复合试验设计本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种再流焊冷却阶段下应力的焊点结构参数的优化方法，其特征在于，包括：/n基于ANSYS建立再流焊后焊点在冷却阶段下的仿真分析模型，并在所述仿真分析模型中施加冷却阶段的温度载荷，以获取焊点的应力值；/n获取影响焊点应力值的影响因素以及影响因素的参数水平值；/n在响应面下获取影响因素与应力值之间的函数关系，并利用多组实验样本对所述函数关系进行误差分析以确定所述函数关系是否正确；/n当所述函数关系正确时利用人工蜂群算法对焊点结构参数优化。/n

【技术特征摘要】
1.一种再流焊冷却阶段下应力的焊点结构参数的优化方法，其特征在于，包括：
基于ANSYS建立再流焊后焊点在冷却阶段下的仿真分析模型，并在所述仿真分析模型中施加冷却阶段的温度载荷，以获取焊点的应力值；
获取影响焊点应力值的影响因素以及影响因素的参数水平值；
在响应面下获取影响因素与应力值之间的函数关系，并利用多组实验样本对所述函数关系进行误差分析以确定所述函数关系是否正确；
当所述函数关系正确时利用人工蜂群算法对焊点结构参数优化。


2.如权利要求1所述的再流焊冷却阶段下应力的焊点结构参数的优化方法，其特征在于，所述仿真分析模型包括由上之下依次设置的芯片、焊点及PCB基板。


3.如权利要求1所述的再流焊冷却阶段下应力的焊点结构参数的优化方法，其特征在于，所述影响因素包括焊点高度、焊点直径、焊盘直径和焊点间距中的一种或多种。


4.如权利要求3所述的再流焊冷却阶段下应力的焊点结构参数的优化方法，其特征在于，所述参数水平值的水平数为3，因素数为4。


5.如权利要求1所述的再流焊冷却阶段下应力的焊点结构参数的优化方法，其特征在于，所述实验样本至少包括30组，其中，至少25组为分析因子，至少5组为零点因子。


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【专利技术属性】
技术研发人员：黄春跃，唐香琼，赵胜军，付玉祥，高超，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西;45