金锡真空共晶焊仿真分析

题目：金锡真空共晶焊仿真分析绪论1.1研究的目的和意义随着集成电路向着低成本方向发展，对芯片焊接要求具有高性能、高密度、高可靠性特点并且要小型化，基板或壳体与芯片互连，主要有共晶焊接和导电胶粘接两种方法。在大功率高频电路安装中，导电胶导热系数小、电阻率大，造成器件损耗大，结温高而且管芯电阻大，影响功率输出和可靠性。为了推广大功率器件以及高频微波器件的应用，散热问题越来越难以解决。近几年，真空共晶焊焊接在集成电路中占的比重越来越大，共晶焊接连接电阻小且传热效率高，散热均匀，焊接温度低、强度高，较适用在大功率高频器件和散热要求高的焊接。但是共晶焊接也存在固有缺陷，比如说焊点难以检测，对焊点的失效原因分析比较困难。共晶焊焊片与基板的热膨胀系数差距较大，因此焊片内部非常容易产生热应力，在此期间，如若应变不够协调导致应力集中，就会产生大量裂纹，应力增大，应变也随着增大，此时裂纹也会越变越大。所以了解焊片焊接失效的原因，焊片内部热应力分布情况是研究焊片焊接失效机制、提高共晶焊接可靠性的前提。1.2相关技术概述1.2.1金锡真空共晶焊简述共晶焊接又被称为低熔点焊接，指相对较低的温度下共晶焊料共晶物熔合的现象，共晶合金从固态变成液态，不用经过塑性阶段。共晶焊料开始熔化的温度叫做共晶温度，共晶焊料中合金所占比例不同，具有不同的共晶温度，共晶焊接需要在保护气体中加热至共晶温度使焊料熔化，与此同时，芯片和基板表面的合金有少量进入熔融的共晶焊料，冷却后，合金焊料和金属层之间的原子会互相结合，使得基板与芯片焊接到一块。传统的共晶焊接方法中，大部分直接采用手动用镊子烧结，高温状态下合金发生共熔，芯片与基板通过焊片粘接到一起。随着技术的要求变高，传统的镊子共晶方法不足之处逐渐暴露，由于共晶过程暴露在大气中，共晶时间难以把握，氧化渣多，满足不了芯片与基板的粘接要求。真空共晶即利用真空技术，在真空共晶炉有效控制住路内气体，经过预热、排空气、抽真空、升温、降温、吸气几个过程，实现共晶过程。和传统技术相比，它有效避免了焊接空洞和氧化渣的产生。共晶焊常用的材料有Au88Ge12、Au80Sn20、Au97Si3，表1.2.1为这几种焊料的参数：表1.2.1各种焊料参数焊料共晶温度/℃热导率/W(m·k)-1电阻率/10-6ΩAuGe35623228.7AuSn2028025135.9AuSi37029377.5由于这几种焊料的熔点各不一样，选取时得综合分析焊接金属膜层、芯片和基板能承受的最高温度，通过对比，AuSn20合金焊料的熔点较低，导热性良好，而且Au在合金中占较大比重，使得焊料表面的氧化度比较低，所以焊接过程中不需要助焊剂，有效避免因使用助焊剂对芯片造成污染和腐蚀。本文选用长宽高为2mm、2mm、0.05mm的焊片，芯片长宽高为2mm、2mm、0.3mm，基板长宽高尺寸为3mm、2mm、0.6mm。为使焊接效果更好，在芯片和基板均镀一层厚度为1.5μm的镀Au层，由于镀金层非常薄，对焊接效果可以忽略，故建立的三维模型中不建立其三维。1.2.2真空共晶设备真空气氛条件下，对共晶焊接的影响，主要表现为真空条件下，焊料以及金属部分的氧化还原反应。这影响了焊料的浸润和展铺。金属的氧化还原反应可以表达为：（1-1）此反应的平衡常数为：（1-2）式子中：Kp是反应平衡常数；PMex是金属分压；PMexOy是反应生成的氧化产物分压；PO2是氧分压；A是系数。通过反应平衡常数可以得出，金属氧化最终达到平衡条件跟气体中的氧分压有关。真空条件下，因为氧的分压变得很低，在真空环境中金属氧化重新平衡，就会导致生成的氧化物再次分解，即原来金属的氧化反应变成金属氧化物的分解反应。此种情况下，对分解压大的金属氧化膜非常有利，特别是贵金属氧化膜。常见的金属氧化物分解要求极高的真空度，以目前的技术来说较难达到。通常情况下，真空系统中共晶焊接的氧化物，主要存在焊料表面上焊接前就被空气中的氧气氧化产生的氧化膜，虽然在真空中氧化膜可能分解，但通过反应动力学来看，共晶焊接温度低于氧化膜分解的初始温度。通过分析看出，在无需助焊剂的情况下，真空环境下共晶焊接，有效阻止了焊接过程中焊料再次发生氧化反应，从而使焊料以及被焊物体表面浸润和铺展过程中做功减少，便于焊接。真空条件下进行焊接，事先排出停留在焊区周围的气体，也排出了加热过程中焊料以及被焊材料排放的气体，与此同时，整个焊接过程中，在芯片上表面加压力，可以有效提高工作环境真空度，降低整个焊接模型的氧化物，提高焊接的质量。用银锡焊料做例子，原本工作真空度为5Pa，稍加改进，多装了个分子泵见图1.2.1（a），让真空共晶设备的真空度分别提升至5×10-1Pa，5×10-2Pa，5×10-3Pa，之后再次运行焊接工艺曲线见图1.2.1（b）。通过实验，比较做X射线检查的芯片见图1.2.1（c），验证了真空度在5×10-2Pa和5×10-3Pa时，焊接效果明显。图1.2.1（a）分子泵工作原理图1.2.1(b)焊接工艺曲线图1.2.1(c)不同真空度芯片X射线相片1.3金锡真空共晶焊的研究现状由于热循环的加载，芯片、焊片以及基板的热膨胀系数不相同，导致焊片内部发生热应力应变，导致焊接失效，因此应力应变分析是焊接可靠性估测的基础，受到了人们的广泛关注[14]。目前国内、国外在这方面的研究现状如下：二十世纪七十年代，国外就有学者进行真空共晶焊的研究[15]。如今，真空共晶焊已经是比较完善的焊接工艺[16]，如Byung-GilJeong等人对RF-MEMS真空封装器件做加压、高湿度存储、高温存储、温度循环可靠性测试等四种测试，测试结果为放置室温条件1h后，发现Au80Sn20预成型焊框产生了空洞。MichaelDavidHenry[17]等人对金硅共晶焊进行了研究，研究显示如果用于防止焊料扩散的扩散隔膜层（主要成分是铂）温度接近375℃，这个温度高于金硅的共晶温度，基板表面会发生氧化反应，导致生成微空洞，对焊接产生较大影响。国内学者研究真空共晶焊在二十世纪八十年代初，现已逐步完善。目前，国内已有不少对真空共晶焊的研究[19]，运用理论计算和实验检验等手段研究了真空共晶焊产生的空洞对LED热阻的影响，共晶焊接压力对焊接后LED器件光电性能的影响。西南电子技术研究所的学者贾耀平[8]采用了Au80Sn20焊料的焊接工艺进行了较为系统的深入研究，得出了气体保护、焊接压力、夹具设计等因素对焊接效果的影响。在可靠性高的军事和民用电子领域，最重要的可靠性指标之一就是封装气密性，AuSn20合金焊料气密封装，具有高温性能和良好的气密性，同时具有良好的工艺性能。1.4研究内容本课题研究的方向是在金锡真空共晶焊焊接后，焊点的应力进行仿真分析，影响其应力的因素有好几种，冷却温度以及施加的压力和模型大小都能影响。运用ANSYS14.5软件有限元分析建立共晶焊的三维实体，采用间接热应力分析，求解出焊片在各阶段应力。具体研究内容为以下几点：设定焊片、基板、芯片的尺寸长宽高、基板的厚度；设定弹性模量、泊松比、温度等参数；划分网格，进行仿真分析，找出对焊片应力的影响因素；通过正交试验得出影响冷却应力的影响顺序。

2相关理论基础2.1热传递的基本方式两个具有温度差的物体之间没有做功，热能从一个物体转移至另一个物体，或热能从物体的一部分转移到另一部分的过程称为热传递。只要两个物体之间或同一物体的不同部分之间有温度差存在，就会发生热传递，并且会升温到两个物体等温为止。产生热传递的条件是存在温度差，跟物体的状态，两个物体间是否接触无关。热传递的最终结果是两个物体温度差为零，即产生热传递的两个物体间或物体的不同部分具有相同的温度。（1）热传导。热传导是气体、液体、固体等介质内没有宏观运动时的传热现象，其在固态、液态、气态中均可发生，但严格地说，在固体中才是纯粹的热传导，而液体、气体就算处于静止状态，液体、气体中也会由于温度差所形成的密度差而产生自然对流，所以，在液体、气体中热对流与热传导往往会同时发生。我们把热传导定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度差而引起的内能的交换。热传导遵循傅里叶定律：（2-1）式中为热流密度(W/m2)，为导热系数(W/m·℃)，“-”表示热量流向温度降低的方向。热对流。热对流是指固体的表面与其周围的液体或者气体之间，由于温度差而引起的热量的交换。热对流可以分两类：自然对流和强制对流。热对流用牛顿方程来描述：(2-2)式中为对流换热系数(或称膜传热系数、给热系数、膜系数等)，为固体表面的温度，为周围流体的温度。热辐射。热辐射是物体间因为具有温度而辐射电磁波的一种现象。是一种物体通过电磁辐射的形式把热能向外散发的热传导方式。它不依赖任何外界条件（介质）约束而进行。热传递是通过热传导、热对流和热辐射三种方式来实现的。在热传递的实际过程中，这三种方式一般不是单独进行的。2.2热应力理论仅仅是温度的变化，物体内不一定会产生热应力，只有温度变化引起的物体膨胀或收缩被约束，物体内才会产生热应力。这种由于温度变化没有外力作用引起的热变形被约束所产生的应力，称做热应力或温度应力。此外，在同一个物体内部，如果内部温度分布不均匀，即便物体不受外界约束，由于内部各处的温度不尽相同，每一小部分皆因受到相邻部分温差影响，也会在内部产生热应力。还有一种情况是，物体成分含有不同材料，即使物体受到同一加热或者冷却，由于各种材料的热膨胀系数不同，或者膨胀方式不同，造成材料相互制约，不能自由伸缩，会产生不同的热应力。本文所研究的金锡共晶焊就具有这个特点。金锡共晶焊焊片连接基板和芯片，它们具有不同的热膨胀系数，但最后焊为一体，因而彼此间相互约束，所以两两接触物体之间均会产生一定的热应力。2.3正交试验法原理正交试验设计法，是基于数理统计学原理，科学合理的安排试验，并且按一定规律处理分析试验结果，以便能尽快的找到工艺的最优条件，而且具有诸多可判断因素，任何因素都是主要因素，以及判断影响因素之间，相互影响的情况等优点。正交试验的原理就是，在较少的时间内得出最佳条件。全面科学地挑选具有代表性的点，运用较少次数特定组合试验，处理分析试验结果，较快找到工艺最优条件。能够大幅度减少试验次数，并且不会降低试验可行度，就是正交试验法。正交表一般有以下两个特点。正交表一定得满足这两个特点，如果有一条不满足，不能称为正交表。1)两个或两个以上不同数字，出现在每列中的次数相等。这个特点表示，每一个因素的每一个水平，跟其它因素的每一个水平在试验中的几率，完全相等，从而保证了在每个水平中，最大程度地排除另外的因素水平的干扰，能够有效地比较试验数据，并且找出最优的试验条件。2)横向组成的任意2列数字对中，每个数字对出现的频率相等。这个特点有效保证了试验点均匀地分散于因素跟水平的组合之中，所以具有很强的代表性。正交试验表，就是通过周密计算，得出的一套现成的试验方案，它显示每次试验时，匹配进行试验用哪几个水平，本套方案考虑的总试验次数远远小于每种情况的试验次数。正交试验表能够在因素变化值内均衡抽样，使每次试验都具有较突出的代表性，由于正交试验表具有均衡分散的特点，很好地保证全面试验的某种要求，正交试验一般能够较好、更好地得出本试验目的。正交试验设计包括两个部分内容：第一，是如何安排试验；第二，是如何分析试验结果。正交试验法的实施步骤分为下列八个步骤：（1）确立试验目的。（2选取质量特性指标（3）选择相关因素。（4）确立水平。（5）选择正交表。（6）配列因素水平。（7）试验方案实施。（8）分析试验结果。数据整理和分析。对于普通的实验，可选用极差分析，这种分析方法简单、直观。而对要求精细的实验，则需要用方差分析，这种方法可给出误差的大小估计，但需要一定的计算量。对于有关混合水平的正交实验，只能选用方差分析。2.4ANSYS14.5热分析的方法2.4.1ANSYS的简介多种工程仿真方案可以通过ANSYS解决，通过ANSYS仿真可以对设计过程需要分析的各种因素进行虚拟工程仿真。ANSYS为世界上众多组织工程分析提供了很大的便利。ANSYS软件是集结构、流体、磁场、声场、电场分析于一体的大型通用有限元分析软件。是世界上最大的有限元分析软件公司之一，美国ANSYS公司开发，它能与多种CAD软件接口，很好地实现了数据的共享和交换。ANSYS软件主要包括三个部分：前处理，分析计算和后处理模块。前处理模块能够建立各种实体建模并进行网格划分，设计者可以简便地建立有限元模型；分析计算模块分为流体力学分析,电磁场分部分析,温度场分析,声场分析,结构线性和非线性分析,多物理场的耦合分析，多种物理介质的互相作用都可以模拟，具优化分析能力灵敏度高。（3）后处理模块可以把计算结果用等值彩色区域显示，矢量显示，梯度显示，立体切片显示，粒子流迹显示，透明或者半透明显示等，并以图形方式显示出来，也可以把计算结果用图表或者曲线形式显示输出。2.4.2ANSYS14.5技术新特点ANSYS14.5具有全新的高级特点，为设计者提供各种复杂工程仿真解决方案，并革新驱动高性能计算动作分析。2.4.3ANSYS热分析原理由于相互接触的不同物体或同一物体，不同部分之间的热膨胀系数不一样，加热或冷却时彼此的膨胀或收缩程度不一样，所以产生热应力。热和应力实际上是两个物理场之间的相互作用，所以属于耦合场分析问题。类似于其他耦合场的分析方法，ANSYS里能够提供分析热应力的两种方法：分别为直接法和间接法。直接法，是指直接运用具有温度以及位移自由度的耦合单元，能同时进行热应力分析以及结构应力分析。间接法，是指先进行热分析，然后将求出的节点温度，作为体载荷施加，进行结构应力分析。间接法运行热应力分析基本步骤如下：进行热分析。热分析包括稳态热分析、瞬态热分析过程。再次进入前处理器，转换单元类型。设置材料属性。读入热分析结果并将其作为载荷。设定参考温度。求解及后处理。2.4.4瞬态热分析步骤传热过程中温度场随时间发生变化,称为非稳态传热。通常情况下，不管是在自然界，还是在各种工程中，大部分传热过程，都属于非稳态传热。这样的传热类型，按照它的传热过程进行中的特点，分作周期性传热、非周期性传热两种。在周期性的传热过程中，导热物体内的温度随时间变化也周期性地改变，呈现一定的规律。而在非周期性变化的传热过程中，物体内部的温度随时间变化，不断升高或降低，并且在经历较长一段时间后，逐渐趋于介质周围的温度，最终达到平衡。这类传热过程，我们称为稳为瞬态传热。ANSYS14.5中瞬态热分析的基本步骤包括，建立有限元模型、施加载荷、求解与后处理。建模，定义名称，工作名，单元类型，材料性能，然后建立几何模型，划分网格；施加载荷，定义温度场；求解；进行后处理，发现问题。

3金锡共晶焊应力仿真分析3.1金锡共晶焊三维实体有限元模型的建立在共晶焊模型中，基板、焊料、芯片组成一个结构。为使求解方便，在建立共晶焊的三维模型时:基板为长方体。顶层材料为硅芯片。焊盘的影响忽略不计。模型中不建立焊盘三维模型；焊片致密，无空穴、气孔等缺陷。3.1.1选择单元类型进行有限元分析，有必要正确的选择适合的单元类型，选择单元类型出错，将会使运算非正常终止，此时分析失败。本次试验主要做共晶焊的瞬态热分析，此时必须选择热分析耦合单元。热分析三维模型计算，共晶焊焊片的单元类型选用Visco107,其他单元类型选Solid70单元。3.1.2定义材料性能参数本次试验中所选的实体模型分为三部分，底层为基板材料为Al2O3，中间为焊片采用AuSn20合金材料，顶层是硅芯片。详细参数见表3.1。为使做完热分析后，直接做应力分析，因此全部输入材料参数。表3.1材料参数材料弹性模GPa泊松比热导率W·(m·k)-1热膨胀系数ppm(10-6)/k比热容J/(Kg·℃)密度Kg/m3Si1310.27163177032330AuSn20表3.20.40525116表3.314700Al2O33506003830表3.2AuSn20随温度变化的弹性模量温度（℃）2575125175225275325弹性模量68.567.166.966.365.763.860.3表3.3AuSn20随温度变化的比热容温度（℃）2575125175225275325比热值146.4160.7220.5250.3278.4330.9290注：弹性模量的单位是GPa，热导率的单位是W·(m·k)-1，热膨胀系数单位是ppm(10-6)/k，密度的单位是Kg/m3,比热容的单位是J/(Kg·℃)。3.1.3三维模型的建立与网格划分采用自由网格划分所建立的三维模型，各层材料尺寸参数见下表：表3.4尺寸参数（单位：mm）材料长宽高Si220.3AuSn20220.05Al2O3230.6采用从下到上的建模方式，下面为具体过程：首先建立基板长方体，然后建立AnSn20焊片模型，最后建立Si芯片模型，最后将所有的实体运用粘结命令粘成一个整体。参照上面的尺寸参数，在ANSYS14.5中创建如图3-1（a）所示的三维实体模型。采用自由网格划分法，建立如图3-1（b）所示网格化分后的实体模型。

图3-1（a）焊接模型三维实体图3-1（b）划分网格后的三维模型3.2施加载荷整个焊接过程中，芯片上表面施加2kPa的压力[6]。进行网格化分后，加载载荷。共晶焊模型冷却过程中，设置开始时所有节点温度为330℃。进行热分析，设置外部环境温度为25℃，对流系数值的变化会对共晶焊焊片应力值产生影响。对暴露在外面的表面施加对流载荷。设定计算终止时长为120秒。设定最小、最大计算时间步长均为1。3.3求解与后处理图3-3（a）为初次冷却至70℃阶段共晶焊模型等温分布图，通过图可以看出，整体温度分布因材料和尺寸不同比较明显。图3-3（b）为初次冷却至70℃阶段焊片等温分布图，通过图可以看出，因为焊片厚度最小，加上被夹在芯片和基板中间，温度分布基本一致。图3-3（a）共晶焊三维模型等温分布图图3-3（b）焊片等温分布图图3-3（c）为冷却至70℃基板等温分布图，观察图片可以看出，氧化铝基板因为体积比较大，底层未施加对流系数，温度分布最为明显。图3-3（d）为硅芯片等温分布图，可以看出，因为芯片大部分暴露在流动空气中，温度分布基本一致。图3-3（c）基板等温分布图图3-3（d）芯片等温分布图3.4共晶焊焊片的热应力耦合分析3.4.1施加载荷与约束在做完热分析后，转换单元类型为热应力结构，从ANSYS中清除热分析的加载。定义热应变计算参考温度为25℃，导入热分析结果并将其作为载荷。3.4.2热应力耦合仿真结果如图3-4（a）所示，基板应力较大的面积集中在基板底层，这是因为底层与加热板接触，未施加对流系数，应力最小处为与流动气体接触最充分的基板顶层四个角。如图3-4（b）所示，焊片左右两边缘应力比较大，变化规律是从中心到边缘依次变大。这是由于在基板、芯片、焊片三种材料中，焊片的热膨胀系数最大，基板和芯片材料的热膨胀系数比较小。在冷却时，焊片发生膨胀，在内部，焊片的自由膨胀受到阻碍，使焊片在与基板和芯片的接触面上产生向下、向上的压力。在外侧，由于焊片横向约束变小，容易发生变形，而芯片顶层施加的力使它们粘接在一起，因此在焊片与基板、芯片界面处应力较大。实际焊接封装中，实体四个角上的区域应力值最大，常常最容易先产生裂纹从而失效，伴随着疲劳周期的增加，也最先断裂，因此在实际焊接封装的检测中，仅需重点检测四周区域即可。图3-4（a）基板热应力等值分布图图3-4（b）焊片热应力等值分布图如图3-4（c）所示，硅芯片的底层应力比较大，这是因为顶层与焊片接触，焊片受热挤压。图3-4（c）芯片应力等值分布图

4基于正交试验的共晶焊应力分析4.1共晶焊应力仿真的试验设计4.1.1试验目的分析在改变焊片厚度、芯片的厚度、基板的厚度、对流系数以及冷却温度这五个因素的参数时，对最大应力值的影响。本试验的质量好坏就是最大应力值，即试验的结果。在共晶焊焊片上，共晶焊焊片上的最大应力值越大，说明越容易失效，一般情况下最大应力值越小越好。由于真空共晶焊焊接过程中会产生空洞，因此焊接过程中会在芯片上面放一个小压块施加压力。4.1.2试验内容（1）选择相关因素：考虑的五个因素为焊片厚度、芯片厚度、基板的厚度、对流系数以及冷却温度。（2）设定水平：每个因素都设定三个水平。焊片厚度分别为0.03mm、0.04mm和0.05mm；芯片厚度分别为0.3mm、0.4mm和0.5mm；基板厚度分别为0.4mm、0.5mm、0.6mm；对流系数200W/(m2·K)、250W/(m2·K)、300W/(m2·K)；冷却温度80℃、70℃、60℃。（3）配列因素水平：影响焊片应力有以上五种因素，选用三水平五因素表，可以得出有十八行。建立如下表4.1(a)试验因素与水平：表4.1(a)试验因素与水平水平焊片厚度mm芯片厚度mm基板的厚度mm对流系数W/(m2·K)冷却温度℃10.030.30.42008020.040.40.52507030.050.50.630060表4.1（b）为五因素三水平焊片应力最大值正交表：表4.1(b)焊片应力最大值正交表L18（35）所在列12345最大应力值MPa因素焊片厚度mm芯片厚度mm基板的厚度mm对流系数W/(m2·K)冷却温度℃试验010.030.30.42008023.4试验020.040.50.62008019.7试验030.030.50.52508023.7试验040.050.40.62508016.0试验050.050.40.43008018.4试验060.040.30.53008016.8试验070.050.50.52007020.0试验080.040.40.62007019.2试验090.040.30.42507019.8试验100.030.40.52507022.3试验110.050.50.43007019.2试验120.030.30.63007017.7试验130.030.40.42006026.3试验140.050.30.52006017.0试验150.040.50.42506023.5试验160.050.30.62506014.5试验170.040.40.53006018.6试验180.030.50.63006020.6为使结果更加清晰明了，作焊片应力的正态分布图，图4-1（a）,和散点图,图4-1（b），从正态分布图和散点图可以看出，焊片最大应力主要分布在15至30MPa之间：图4-1（a）焊片最大应力正态分布图图4-1（b）焊片最大应力散点图为了获得更充分的共晶焊接冷却应力数据，作基板应力最大值正交表4.1(c)：表4.1(c)基板应力最大值正交表L18（35）所在列12345最大应力值MPa因素焊片厚度mm芯片厚度mm基板的厚度mm对流系数W/(m2·K)冷却温度℃试验010.030.30.42008037.0试验020.040.50.62008034.5试验030.030.50.52508036.2试验040.050.40.62508031.8试验050.050.40.43008032.8试验060.040.30.53008033.4试验070.050.50.52007040.1试验080.040.40.62007033.6试验090.040.30.42507032.9试验100.030.40.52507035.2试验110.050.50.43007033.6试验120.030.30.63007032.9试验130.030.40.42006041.5试验140.050.30.52006037.5试验150.040.50.42506037.3试验160.050.30.62506030.9试验170.040.40.53006034.4试验180.030.50.63006033.6为使结果更加清晰明了，作焊片应力的正态分布图，图4-1（c）,和散点图,图4-1（d），从正态分布图和散点图可以看出，基板最大应力主要分布在30至42MPa之间：图4-1（c）基板最大应力正态分布图图4-1（d）基板最大应力散点图为了获得更充分的共晶焊接冷却应力数据，作芯片应力最大值正交表4.1(d)：表4.1(d)芯片应力最大值正交表L18（35）所在列12345最大应力值MPa因素焊片厚度mm芯片厚度mm基板的厚度mm对流系数W/(m2·K)冷却温度℃试验010.030.30.42008013.5试验020.040.50.62008011.2试验030.030.50.52508014.8试验040.050.40.6250808.19试验050.050.40.4300809.63试验060.040.30.5300809.86试验070.050.50.5200709.96试验080.040.40.6200709.57试验090.040.30.42507011.1试验100.030.40.52507014.5试验110.050.50.43007010.1试验120.030.30.63007010.1试验130.030.40.42006016.7试验140.050.30.5200609.24试验150.040.50.42506013.9试验160.050.30.6250607.87试验170.040.40.53006010.3试验180.030.50.63006011.8为使结果更加清晰明了，作焊片应力的正态分布图，图4-1（e）,和散点图,图4-1（f），从正态分布图和散点图可以看出，芯片最大应力主要分布在6至14MPa之间：图4-1（e）芯片最大应力正态分布图图4-1(f)芯片最大应力散点图

4.2共晶焊片应力仿真的试验结果分析做完十八次试验后，将试验结果中焊片的最大应力值对应填入表格。在试验结果中可看出，最大应力值的最小值出现在试验次数为16的项，应力最大值在试验次数为3的项。可以看出，为使应力最小，最佳参数组合为，焊片厚度为0.05mm，芯片厚度为0.3mm，基板的厚度为0.6mm，对流系数250W/(m2·K)，冷却温度60℃。4.2.1焊片厚度对焊片最大应力值影响对于焊片厚度，十八次试验中，厚度为0.03mm时，平均最大应力值为25.95MPa,厚度为0.04mm时，平均最大应力值为22.98MPa，厚度为0.05mm时，平均最大应力值为19.77MPa。可以看出，焊片厚度越大，平均应力越小。4.2.2基板厚度对焊片最大应力值影响对于基板厚度，十八次试验中，厚度为0.4mm时。平均最大应力值为25.67MPa,厚度为0.5mm时，平均最大应力值为23.5MPa，厚度为0.6mm时，平均最大应力值为19.53MPa。可以看出，基板厚度越大，平均应力越小。4.2.3芯片厚度对焊片最大应力值影响对于芯片厚度，十八次试验中，厚度为0.3mm时。平均最大应力值为22.03MPa,厚度为0.4mm时，平均最大应力值为22.45MPa，厚度为0.5mm时，平均最大应力值为24.22MPa。可以看出，芯片厚度越大，平均应力越大。4.2.4对流系数对焊片最大应力值影响对于对流系数，十八次试验中，对流系数为200W/(m2·K)时，最大应力平均值为24.42MPa，对流系数为250W/(m2·K)时，最大应力平均值为22.58MPa，对流系数为300W/(m2·K)时，最大应力平均值为21.7MPa。可以看出，对流系数越大，平均应力越小。4.2.5冷却温度对焊片最大应力值影响对于冷却温度，十八次试验中，冷却温度为80℃时，最大应力平均值为25.8MPa，冷却温度为70℃时，最大应力平均值为23.3MPa，冷却温度为60℃时，最大应力平均值为23.17MPa。可以看出，冷却温度越小，平均应力越小。

4.2.6各因素的影响顺序观察表4.2中可知，焊片厚度的极差为6.18，芯片厚度的极差为2.19，基板厚度的极差为6.14，对流系数极差为2.72，可以看出焊片厚度影响最大应力值的程度最大。然后为基板厚度，对流系数，冷却温度，芯片厚度。表4.2实验数据处理表焊片厚度芯片厚度基板厚度对流系数冷却温度K1(MPa)25.9522.0325.6724.4225.8K2(MPa)22.9822.4523.522.5823.3K3(MPa)19.7724.2219.5321.723.17极差(MPa)42.722.63注：Ki为i水平的平均值。极差就是同一列中k1、k2、k3这三个数中最大值减去最小值，表格反映了因素水平对试验结果的影响程度。

5结论本次研究通过正交试验，综合前人的研究，得出影响共晶焊应力的因子，如焊片厚度、芯片厚度、基板厚度、对流系数以及冷却温度等，运用三水平五因子，做出正交试验表，并应用ANSYS14.5有限元分析软件对共晶焊结构体进行三维建模。运用间接法，首先对三维实体模型进行热分析，然后将求出节点温度，作为体载荷施加，进行结构应力分析。然后按照试验步骤进行十八次仿真试验，得出以下结论：观察热分析结果（表4.1（a））以及焊接模型温度分布图，焊片内部靠近中心的温度最高，焊片温度分布显示由里向外逐渐减小的趋势，靠近空气的温度最低。然而整体温度分布受到基板厚度影响，温度最大值分布于整体模型的中间部分。应力分布则与温度分布相反。观察热分析结果（表4.1(b)）以及焊接模型温度分布图，芯片内部受到的热应力明显小于焊片，这是因为焊片几乎完全暴露在对流气体中。对于芯片，温度分布基本跟焊片一致，呈现由里到外减小的规律。应力分布为靠近与焊片接触的地方大，远离焊片接触面应力小。观察正交试验表（表4.1(c)）以及焊接模型温度分布图，跟试验结果对比，可以看出，对于基板，它的应力是最大的，是因为基板地层跟加热板接触，在芯片和焊片快速冷却时，基板底面没有施加对流载荷，温度比较高。基板温度分布情况为底面中心高，顶面四角处低。应力分布基本与分度分布一致。综合上述，根据本文实验范围的结果可知：焊片的厚度、基板厚度、芯片厚度越大、对流系数、越大，焊接应力越小。值得注意的是，焊接压力不宜过大，因为施加的力过大会使芯片被压坏，因此施加适当的压力即可。由于自己知识能力没有达到一定高度，本次研究只考虑共晶焊影响应力的五个因素，而