[发明专利]一种实验表征和数值模拟相结合探究激光钎焊工艺参数的方法

说明书

本发明属于激光钎焊领域，具体涉及一种实验表征和数值模拟相结合探究激光钎焊工艺参数的方法。本发明通过实验对不同激光钎焊工艺参数(激光器的输出功率、焊接时间和光斑半径)下得到的焊件的微观组织和显微硬度进行表征，揭示激光钎焊工艺和焊接质量的对应关系；通过Comsol Multiphysics有限元分析软件建立关于激光钎焊的焊温度场分布和应力应变场的修正模型，揭示激光钎焊工艺参数与温度分布、应力应变分布的内在联系；进一步利用该修正模型指导激光钎焊工艺实验。这种采用实验表征和数值模拟相结合的研究方法，对探究激光钎焊工艺参数更加准确、高效，为精确控制焊接质量和使用性能提供理论指导和技术支持。

技术领域

本发明属于激光钎焊领域，具体涉及一种实验表征和数值模拟相结合探究激光钎焊工艺参数的方法。

背景技术

随着电子设备微型化、精密化、轻量化和多功能化的发展，印刷电路板(PCB)的封装密度在显著增加，焊点尺寸和焊脚间距都在急剧减小。基于此，激光钎焊由于其热影响区小、局部加热、非接触式加热、快速加热和快速冷却等优势，被广泛地应用到电子元器件的组装和印刷电路板的装联中。

激光钎焊的工艺参数是影响钎焊性能最关键的因素。激光输出功率过低时，钎料难以熔化，钎料与焊盘之间的原子扩散和合金化反应很慢，如图2(a)所示；而过高的激光输出功率可能导致PCB基板的热击穿，甚至会烧坏焊点周围的非焊接区域上的元器件过烧而损坏，如图2(d)所示。因此，合适的激光钎焊工艺参数对实现高质量焊接至关重要。

然而现有对激光钎焊工艺的研究一般是通过大量的摸索试验，成本太过昂贵，且操作难度大，工序复杂，因此寻找一种准确、高效的探究激光钎焊工艺的方法势在必行。通过这种方法能够准确认识激光焊接温度场和应力应变场的分布规律，从理论上指导实践，对精确控制焊接质量和使用性能具有重要现实意义。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种实验表征和数值模拟相结合探究激光钎焊工艺参数的方法。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种实验表征和数值模拟相结合探究激光钎焊工艺参数的方法，包括如下步骤：

(1)调整工艺参数：激光器的输出功率、焊接时间和光斑半径，对钎料/基板进行焊接；

(2)将焊接后的样品进行切割、打磨、抛光并腐蚀，然后对样品进行表征与测试，获得焊接质量结果；

(3)根据焊接样品的尺寸，使用Comsol Multiphysics有限元软件建立温度场和应力应变场耦合的几何模型，其中在数值模型中做了以下假设：焊接材料是各向同性的；忽略激光加热过程中钎料/基板之间的反应；焊接过程中钎料不发生流动，体积不变化；

(4)对模型进行优化：使用JMatPro材料性能模拟软件计算钎料合金随温度变化的物性参数，导入到步骤(3)所建几何模型的材料属性中；同时选取半椭球体热源模型作为激光热源，并在热源相中引入激光器的输出功率、焊接时间、光斑半径及钎料对激光的吸收率参数；再依次设置边界条件，得到温度场和应力应变场耦合的修正模型；

(5)利用步骤(2)获得的焊接质量结果以及实际测得的焊接温度验证步骤(4)所得修正模型的准确性，进一步利用该修正模型指导激光钎焊工艺参数的选择。

上述方案中，步骤(1)所述钎料为Sn3.0Ag0.5Cu无铅钎料，基板为PCB基板。

上述方案中，步骤(1)所述工艺参数的调整范围为：激光器的输出功率为10～20W，钎焊时间为0.3～1.0s，光斑半径为0.2～0.6mm。

上述方案中，步骤(2)所述焊接质量包括：焊点外观观察、焊接温度、显微组织、显微硬度。