低温共烧陶瓷电路板结构热分析、优化与试验研究

发布时间：2020-05-19 09:54

【摘要】：低温共烧陶瓷电路板具有高频、高速及高可靠性等优点,经过几十年的研究、发展,其已大量应用于射频、微波、通信、医疗电子及MEMS等领域。在热环境作用下,低温共烧陶瓷电路板会产生较大形变及热应力,导致电路板表面产生裂纹,影响电路板的正常使用。本文对焊接完成后电路板组件的表面平面度进行了仿真分析及相关的试验测量;并对电路板进行了结构优化,以提高电路板在热环境下的力学性能;利用数字图像测量系统对电路板组件进行热试验测量,并将试验测量结果与仿真分析结果进行对比验证。阐述了热环境对电子设备的影响,概述了低温共烧陶瓷电路板的制作、功能及其特点;对传热学的相关理论进行了阐述,同时利用传热学理论及有限元仿真分析软件对板件结构进行了热对流方面的理论及仿真分析,并将两者结果进行对比。建立电路板组件的有限元模型,通过仿真软件对电路板组件进行了平面度仿真分析,并将该平面度分析结果与通过接触式三维坐标测量仪测得的电路板表面的平面度结果进行对比、验证。为改善电路板在热环境中的力学特性,对电路板进行了结构优化,优化中采取了以电路板最大热应力为目标函数的单目标遗传优化和以电路板上三个局部圆角的最大热应力为目标函数的多目标遗传优化,并将两种优化方案进行了对比、分析。为探究电路板组件在热环境下的形变,本文对电路板组件进行热试验。热试验采用数字图像测量系统进行形变测量,试验测量结果验证了有限元仿真分析的有效性。
【图文】：

载荷图,板件

h W m ℃，板的其它面为绝热面(即图 2.1 中阴影部分包裹的面，阴影部分主要为突出绝热面，无其它意义)，板无内部热源。图2.1 板件结构受热对流载荷图板件结构瞬态温度的理论解析由于板件结构材料各向同性，故在传热过程中，同一厚度面的温度是相同的，只有板的厚度方向存在温度梯度，故这里沿板件的厚度方向将板件划分为 10 个等厚度的单元，从上到下分别为单元 1、单元 2……单元 10，，由热平衡原理可得单元1 的控制方程：220T Tcx t （2-24）由伽辽金残数法可得220jixixT TW c Adt （2-25）式中，iW 是伽辽金权函数；为 x 方向的变量。建立插值函数，使单元内任一点温度都可由某些单元节点温度值进行线性插

板件,取板,下表面,上表面

设置其 Divisions 为 10，板件结构长度和宽度方向采用自由划分的网格划分方式，网格尺寸为默认尺寸。图2.3 板件结构的载荷加载分别取板件上表面、中间面和下表面上的点，如图 2.4 所示：图2.4 板件三个面上取点示意图获得上表面、中间面、下表面上点的仿真温度曲线如图所示：由图 2.5（a）可以看出，在仿真过程中，同一时刻，板件上表面的温度较中间面和下表面的温度要高，并且随着时间的推移，三条温度曲线斜率越来越小，三个面上的温度差越来越小，最终都趋于稳定，达到 120℃。这与板件三个面上温度变化的理论结果在趋势上是一致的。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN41

【参考文献】