高硅铝电子封装壳体激光焊接的数值模拟

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高硅铝材料近年来被广泛用于电子封装上,但是高硅铝内部含有大量的硅颗粒以及表面氧化膜的存在等,因此熔焊性能差,具有较高的裂纹形成倾向。脉冲激光焊的焊接线能量较低,适用于微型件与精密元器件的焊接。本文采用数值模拟方法研究高硅铝合金壳体脉冲激光焊时的温度场、焊接应力场及焊后残余应力分布,摸索合理的焊接规范参数,以避免裂纹的形成及壳体底板上芯片的过热倾向。通过比较分析,确定选用高斯面热源加三维锥体热源的组合热源模型。根据脉冲激光功率特点引入三角周期函数,实现了热源功率的循环加载。通过壳体焊接过程的热模拟,分析了壳体中各焊道焊接过程中的温度分布规律与变化趋势。焊接加热过程中接头附近的温度梯度较高,随焊接过程进行壳体温度持续上升,末道焊焊缝完成时固定在底板上的芯片具有较大的过热倾向。通过对壳体焊接应力变化及焊后残余应力的模拟,分析了在熔池末端处于脆性温度范围内的双向拉伸应力的存在,因此具有较高的凝固裂纹形成倾向。室温下壳体焊缝中存在较高的纵向拉伸残余应力,具有一定的低塑性脆化裂纹形成倾向。模拟分析了激光脉冲宽度、焊接速度变化和间断焊接对壳体温度分布的影响,确定了能够保证焊缝外观成型和密封性能要求的合理规范。焊接速度的选择范围十分有限,通过减少脉宽或采用间断焊接,都可以有效地降低底板温度,避免芯片过热。为了验证模拟的准确性,进行了焊接动态温度场的测定和焊后残余应力检测,经比较验证了温度场的模拟具有较高的准确性,而通过粉末压制成型的高硅铝壳体内由于初始应力的存在,使得检测结果与模拟结果差异较大。
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