◎姜颖

PCB板激光直接成形温度场计算机软件模拟研究

◎姜颖

激光加工是激光系统最常用的应用。根据激光束与材料相互作用的机理，可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。PCB中文名称为印制电路板，又称印刷电路板、印刷线路板，是重要的电子部件、电子元器件的支撑体、电子元器件电气连接的载体。激光加工PCB板时，激光照射材料表面，材料吸收热量至发生强烈的相变，由固态—液态—气态，热能增加，使金属蒸汽以较高的压力从液相的底部猛烈喷出，并携带着液相材料一起喷，形成火花溅射。加热停止，液态金属重新凝固，在材料表面形成再熔层，并利用ANSYS软件实现激光热源的模拟移动加载。最后通过后处理，给出了激光温度场的动态变化图。

PCB简介

印刷电路板经常被使用英语简称PCB，它以绝缘板为基材，至少有一个导电图案和分布在上面的孔（如元件孔，孔金属化等），用来取代以前装置的电子元器件的底盘，并实现电子元件之间的相互联系。因为这个板是通过在覆铜板上用底片照相的方法印刷防腐蚀膜层，然后再腐蚀成形得到需要的电路，它被称为印刷电路板。根据电路板层数可分为单面板，双面板，四层，六层及多层电路板。常说的印刷电路板或PCB板是没有安装任何元器件的裸板。

问题提出及解决方法

激光可以用来去除材料，但是用来去除印刷电路板板上的铜箔却困难。印刷电路板的基材是玻璃纤维板，很容易在高温下氧化变色，影响后续工艺。要求激光的能量控制的刚好，既能把需要剥离的铜箔去除干净，还要保证尽量少的伤害到基材。

激光直接成形技术就是不采用制作底片—>贴覆盖膜—>照相曝光—>显影—>蚀刻—>去膜的传统化学工艺，直接在覆铜板上形成线路，直接用激光去除铜箔易烧焦基材，所以有了新的加工方法。用激光烧蚀出轮廓，对需要去除铜箔的地方进行分区，把大的面积分成一个个很细的方块或细长的三角形，这就要求调整好激光参数，尽量减少对未加工区域的热影响，能量调到刚刚能切穿铜箔，而不损及基材，这个过程一般称为Hatch（填充）。Hatch后的图形如图2-1所示，Heat后的图形如图2-2所示。

ANSYS热分析主要用于计算一个系统或部件的温度分布及其他热物理参数，如热梯度、热流密度等。ANSYS热分析包括热传导、辐射及对流等多种热传递方式。激光加工过程虽然复杂，偶然因素多，但也遵循基本科学理论，如流体力学、传热学、固体力学等。这样可以把激光加工过程简化成求解液态金属流动、凝固及温度变化的问题，在一定初始条件和边界条件下，求解傅里叶热传导方程或弹塑性方程。

PCB板激光直接成形过程数值模拟

建立PCB板的三维几何模型及划分网格。计算中工件尺寸为50mm×40mm×0.5mm，材料为紫铜，激光束在KI线上沿X轴移动。实际模型简图如图3-1所示。在ANSYS中划分网格的方式有两种，分别为自由网格划分和映射网格划分。激光扫描过程是一个加热不均匀的过程，在焊缝处温度梯度变化很大，划分网格时一般不采取均匀的网格，而是在光斑及其附近的部分用加密网格，在远离光斑的区域，能量传递缓慢，温度分布梯度变化相对较小，可以采用相对稀疏的单元网格，如图3-2所示。

激光直接成形工艺参数。主要包括：扫描速度、激光功率和激光频率。选用的激光热源是呈高斯分布的移动热源，除了这些参数外，还有光斑直径、有效加热面积。选择高斯移动热源的参数如下：

激光功率：Qmax=20W;激光频率：f=30Hz；扫描速度：V=3m/min；光斑直径：Lsize=0.1mm；

加载完成后就是求解过程，点击求解后计算机就开始自动运行，求解完毕就得到数据文件。提取数据时需要用到ANSYS的通用后处理器(POST1)和时间历程相应后处理器(POST26)两个后处理模块，从POST1中可提取诸如温度、应力分布云图，还可以提取出某时刻在焊件某个方向上的应力变化曲线；从POST26中可以提取出某点的某个值随时间的变化曲线。

从图中标尺中显示出各个区域的温度，也可提取出工件任意一点的温度值大小，及它的温度循环曲线，预测加工区和加工热影响区的组织形态及晶粒大小，对规划复杂路径，减少热影响区，有非常实际的意义。

对激光直接成形过程的结果分析。材料刚开始被加热时激光直接成形区的温度开始上升，并且传导到周围，由于激光的运动速度很快，在很短的时间内就达到了最高点，这从各参考点的温度曲线图上可以明显看到，在激光路径上的点都有一个很尖的最高值，而热影响区的考察点的温度曲线就相对平滑很多。与路径上的点比差别很大。

通过不同光斑的比较，发现光斑越大，照射区也增大，在功率一定的情况下光斑越大，能量密度越小，温度影响区大。在激光直接成形的过程中最高温度随激光光束不断移动，且和激光光束的速度有一定的关系。得出各种激光参数对激光照射区及热影响区的影响，为激光加工PCB板工艺改进提供了重要的依据。建立了可行的激光PCB板直接成形过程二维温度场的动态模拟分析方法，为优化激光加工工艺和激光参数，提供了理论依据和指导。

激光直接形成温度场数值模拟是相当复杂的，热物理性质的非线性、铜箔与基材之间的接触影响等等。对于这样的系统，分析其数字仿真软件和它的实现也比较复杂，调查结果的分析是很难做出直观的正确判断，因此有必要对软件系统软件的正确性和精度进行验证，

本文根据有限元分析软件ANSYS,根据有限元原理对瞬态温度场的分析，给出了各种激光的热源数学模型、高速移动热源的解析解、激光热传导的解析方法。本文考虑了材料的热物理性能和力学性能随温度的变化，选取适当的计算时间，选取高斯函数分布的热源模型，并利用ANSYS软件实现激光热源的模拟移动加载。最后通过后处理，给出了激光温度场的动态变化图。

(作者单位：天津轻工职业技术学院)