Numerical simulation of the reflow soldering process

Abstract

The work developed in this thesis is inserted in a large project involving the University of Minho and the Bosch Car Multimedia, in which it is intended to create a numerical model capable of simulate the Reflow soldering process. Thus, during this thesis will be given a small contribution to the creation of this model by continuing the work already developed by Costa (2014), student who initiated this project in his master's thesis. Before starting the development of the simulation model, it is performed a brief description of the electronic products manufacturing process and its composition, such as PCBs, electronic components and solders used. Being even discussed in greater detail the Reflow soldering process. To carry out this simulation model it is used the computational program ANSYS Fluent being analyzed its way of functioning and the main models used during the simulations, as the VOF model (Volume of Fluid) and the Solidification/Melting model. Regarding the development of the simulation model, the first step passed by the analysis of the work carried out by Costa (2014), which it resulted in detection of a problem in his last model, related to the deformation of solder paste at room temperature. In an attempt to prevent this deformation several variables were analyzed such, as density, viscosity and surface tension of solder paste, as well as the presence of gravity and the Mushy-zone parameter in order to understand their impact on the solder paste deformation at room temperature. Through this analysis, it was found a solution which involves the alteration of Mushy-zone parameter and the use of a surface tension of solder paste function of temperature. With this solution it was possible to create a model for the fusion of solder paste, with the objective to validate the solution found and to analyze the deformation of solder paste. Finally, it developed a simulation model that allows to simulate any Reflow thermal cycle and to analyze the deformation of solder paste during the entire thermal cycle, including its melting and solidification. In parallel with this project, it was accomplished at Bosch the thermal simulation of the Reflow soldering process of a real product and compared the values obtained with the actual data from the production line.

O trabalho desenvolvido nesta tese está inserido num projeto de grande dimensão, envolvendo a Universidade do Minho e a Bosch Car Multimedia, no qual se pretende criar um modelo numérico capaz de simular o processo de soldadura por Reflow. Desta forma, durante esta tese será dado um pequeno contributo para a criação deste modelo, através da continuação do trabalho já desenvolvido pelo Costa (2014), aluno que iniciou este projeto na sua tese de mestrado. Antes de iniciar o desenvolvimento do modelo de simulação é realizada uma pequena descrição do processo de produção de produtos eletrónicos e da sua composição, como os PCBs, os componentes eletrónicos e das soldas utilizadas. Sendo ainda abordado com maior detalhe o processo de soldadura por Reflow. Para a realização deste modelo de simulação é utilizado o programa computacional ANSYS Fluent, sendo analisada a sua forma de funcionamento e os principais modelos utilizados durante as simulações, como o modelo VOF (Volume of Fluid) e o modelo Solidification/Melting. Quanto ao desenvolvimento do modelo de simulação, o primeiro passo passou pela análise do trabalho desenvolvido pelo Costa (2014), o que resultou de deteção de um problema no seu último modelo, relacionado com a deformação da pasta de solda à temperatura ambiente. Numa tentativa de impedir esta deformação várias variáveis foram analisadas, tais como densidade, viscosidade e tensão superficial da pasta de solda, bem como a presença da gravidade e o Mushy-zone parameter, por forma a perceber o seu impacto na deformação da pasta de solda à temperatura ambiente. Através desta análise foi encontrada uma solução que passa pela alteração do Mushy-zone parameter e pela utilização de uma tensão superficial da pasta de solda função da temperatura. Com esta solução foi possível criar um modelo para a fusão da pasta de solda com o objetivo de validar a solução encontrada e analisar a deformação da pasta de solda. Por último, é desenvolvido um modelo de simulação que permite simular qualquer ciclo térmico de Reflow e analisar a deformação da pasta de solda durante todo esse ciclo térmico, incluindo a sua fusão e solidificação. Paralelamente a este projeto foi realizada na Bosch a simulação térmica do processo de Reflow de um produto real e a comparação os valores obtidos com os dados reais da linha de produção.