第１期（总第１８２期） ２Ｏｌ４年Ｏ２月 机械工程与自动化 ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧ１ＮＥＥＲＩＮＧ ＆ ＡＵＴ（）ＭＡＴＩＯＮ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ． 文章编号：１６７２—６４１３（２０１４）０１—００７６—０３ 基于ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ的热压头热一结构耦合分析 周启舟 ，邱 彪 （１．中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 １００１７６；２．桂林电子科技大学机电＿Ｔ－程学院。广西 桂林 ５４１００４） 摘要：应用三维软件ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ建立某型号热压头三维模型，基于有限元分析软件ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ建立 其有限元模型，并对热压头进行热一结构耦合分析，得到了焊接过程中热压头的热变形，验证了温度对热压 头焊接精度的影响．为热压头结构的进一步优化设计提供基础。 关键词：热压头；ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ软件；热一结构耦合；热变形 中图分类号：ＴＰ３９１．７７ 文献标识码：Ａ ０ 弓Ｉ言 芯片焊接技术是微电子封装的关键技术之一，热 压头是面阵列芯片焊接设备的重要部件，其性能直接 决定芯片的质量和成品率，因此研究分析热压头对提 高面阵列芯片焊接设备性能有着重要意义。芯片焊接 方式主要有熔焊、热压焊和热声焊等，大多数芯片焊接 设备一般采用热压焊和热声焊。由于在焊接过程中需 要对热压头进行加热，因此温度对焊接精度和质量的 影响很大。目前，针对温度对芯片封装设备焊接可靠 性的影响研究较多，但大多集中于温度对设备图像采 集的影响，如张丽娜针对焊接过程中芯片与基板的对 准精度受温度影响Ｌ１］，以热超声倒装键合机为实验平 台，对焊接过程中因加热所带来的湍流效应对焊接成 像和芯片与基板对准精度的影响进行了研究，且在文 献Ｆ－２３中提出了一种解决方法。但是鲜少有人针对温 度对于焊接设备机械本身的影响进行研究，本文主要 研究温度对热压头结构的影响，特别是当结构受热不 均时结构的热变形。 １ 热压头有限元模型的建立 １．１ 热压头三维模型的建立 本文使用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ建立热压头的三维模型，然 迎 分 后直接导人ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ（简称ｗＢ）中进行分 析。热压头是芯片焊接过程中与芯片直接接触的部 分，要求在工作过程中完成吸取、高温焊接的功能。根 据热压头的功能要求，热压头主要由加热部分、隔热部 分、芯片吸取部分、压力传感部分以及定位部分组成。 建立的热压头三维模型如图１所示。 １．２ 网格化有限元模型的建立 在分析之前，首先需对热压头三维模型进行网格 收稿Ｉ１期：２０１３—０９—３ｏ；修刚日期：２０１ ３—１０—０５ 作者简介：Ｊ吉ｊ启舟（１９７３一），男，ｌｔ 肃庄浪人，高级【程师，工程硕：Ｌ．现主要从事半导体后封装设备研制工作。 ・ ７８・ 机械工程与自动化 ２０１４年第１期 向的变形。分析可知，热压头主要是由螺栓进行连接， 在Ｙ方向主要是靠螺栓进行限位，如果预紧力不足， 在Ｙ方向很容易由于热应力而产生热变形，从而影响 热压头吸取的精度，最终影响焊接质量。 且在垂直于螺栓紧固的方向变形量最大。因此设计主 要工作应该集中在热压头的隔热设计，通过材料或者 结构优化提高结构的散热性能，减小温度对热压头结 构的影响，并通过改善螺栓连接的预紧力、加大零部件 的接触等方法减小热变形，达到提高热压头焊接精度 的目的。 参考文献： ［１］ 张丽娜，韩雷．热超声倒装键合中温度对对准精度的影响 ［Ｊ］．计算机测量与控制．２００９，１７（４）：７５７—７５９，７６９． ［２］韩雷，张丽娜，王福亮，等．一种提高芯片与基板对准精度 图８热压头２向热变形云图 的方法［Ｊ］．中南大学学报．２０１０．４１（１）：１８４．－１８９． ［３３蒲广益．ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ １２基础教程与实例详饵 ［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２０１０。 ［４］郭学祥．胡友民，夏军勇，等．基于有限元分析的机床导轨 ３结论 本文基于ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ对热压头模型进 行热一结构耦合分析，得出以下结论：①热压头在工作 过程中，容易产生受热不均的现象，并且其他不需要加 热的部分，由于热传导的作用，温度过高，容易造成传 感器的损坏；②由于热应力的存在，热压头产生热变形， 热变形研究［Ｊ］．组合机床与自动化加工技术，２００７（３）：８一 ｌ１． ［５］何俊．赖玉活，罗锡荣，等．基于ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ的数 控车床主轴系统热一结构耦合分析［Ｊ］．组合机床与自动 化加工技术，２Ｏｌｉ（７）：１９－２２． Ｔｈｅｒｍａｌ。ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｂａｓｅｄ Ｇ ｎ ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ ｆｏｒ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｈｅａｄ ＺＨＯＵ Ｑｉ－ｚｈｏＷ ，ＱＩＵ Ｂｉａ０２ （１．Ｔｈｅ ４５ｔｈ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＣＥＴＣ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １ＯＯ１７６．Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆ＨｅｃｔｒｉｃａＩ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕｉＦｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｃｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ。Ｇｕｉｌｉｎ ５４】００４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ３Ｄ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ａ ｔｈｅｒｍａｌ ｈｅａｄ ｉｓ ｓｅｔ ｕｐ ｂｙ ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ，ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｂｕｉｌｔ ｂｙ ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ．ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａ１． ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ａｎａｌｙＭｓ ｉＳ ｃａｒｒｉｅｄ ＯＵｔ ｏｆｔ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｈｅａｄ．Ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｘｔｒｕｓｉｏｎ ｈｅａｄ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ ｔｈｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅｒｍａｌ ｈｅａｄ ｉｓ ｖｅｒｉｉｆｅｄ。ｗ ｈｉｃｈ ｍａｙ ｌａｙ ａ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｆｉｌｅ ｆｕｒｔｈｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ【ｈｅａｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｒｍａｌ ｈｅａｄ；ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ ｓｏｆｔｗａｒｅ；ｔｈｅｒｍａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｏｕｐｌｉｎｇ；ｔｈｅｒｍａｌ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ （上接第７５页） ３ 结语 参考文献： ［１］徐梓斌，闵剑青．基于ＳｉｍＭｅｃｈａｎｉｃｓ的曲柄滑块机构运 曲柄摇杆机构的运动仿真分析为机构的性能优化 提供了基础，基于ＳｉｍＭｅｅｈａｎｉｅｓ的仿真方法，具有系 统建模方便直观、仿真功能强大等特点，使工程技术人 员能更专注于对机械系统本身的运动分析和设计，而 无需建立机构的数学模型和编程，从而大大减轻了设 计人员的工作量。 动分析［Ｊ］．煤矿机械．２００４（１）：６３－６５． ［２３薛定字，陈阳泉．基于ＭＡＴＬＡＷＳｉｍｕｉｉｎｋ的系统仿真技 术与应用［Ｍ］．北京：清华大学出版社．２００２． ［３］ 袁格侠．基于Ｍａｔｌａｂ／ＳｉｍＭｅｃｈａｎｉｃｓ的汽车风窗刮水器 建模与仿真［Ｊ］．现代电子技术，２００７（１５）：ｌ７Ｏ一１７２． ［４］郑宏伟，李平康．基于ＳｉｍＭｃｃｈａｎｉｃｓ的四杆机构仿真技 术研究［Ｊ］．机电工程技术，２００５．３４（５）：６２－６５． Ｍｏｔｉｏ ｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃｒａｎｋ．。ｒｏｃｋｅｒ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ＷＡＮＧ Ｚｅ￣－ｓｈｅｎｇ，ＺＨＵ Ｙｕ－￣ｕ。ＫＯＮＧ Ｌｉｎｇ－ｙｕｎ （Ｒｏｂｏｔ ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｍｓｔｉｔｕｔｅ，Ｈｕａｎｇｈｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５００６３，Ｃ｝ｉｎａ）ｆ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｌｅｖｅｌ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｂａｓｅｄ ０ｎ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ／ＳｉｍＭｅｃｈａｎｉｃｓ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａ ｄｙｎａｍｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｏｏＩ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｂｙ ＭＡＴＩ ＡＢ，ａ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｃｒａｎｋ－ｒｏｃｋｅｒ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｆｏｒ ｄｙｎａｍｉｃｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｅ￣，ｔａｂｈｓｈｅｄ，ｔｈｅ ｍｏ＆ｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉＳ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｄａｔａ（ａｎ ｂｅ ａｃｑｕｉｒｅｄ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｌｙ ａｎｄ ｅｘａｃｔｌｙ。ｗｈｉｃｈ ｍａｙ ｐｒｏｖｉｄｅ，￣ｏｍｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｉｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＳｉｍＭｅｃｈａｎｉ￣；ｃｒａｎ ｒｏｃｋｅｒ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｍｏｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
