Numerical Simulation of Temperature-stress Field in Laser Soldering of Bumps

ZAI Jianxuan; LI Hui; GE Xiaohong; LI Fenqiang; WANG Qifan; HUANG Anguo

doi:10.7512/j.issn.1001-2303.2024.03.13

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Numerical Simulation of Temperature-stress Field in Laser Soldering of Bumps
- role： First author 第一作者
- Affiliation：
  Fujian Key Laboratory of Functional Materials and Applications, School of Materials Science and Engineering, Xiamen University of Technology, Xiamen 361024,China
- Introduction：宰建轩（1997—），男，硕士研究生，主要从事激光微连接成形的研究。
ZAI Jianxuan
1 ,
- role： Corresponding author 通讯作者
- Affiliation：
  Fujian Key Laboratory of Functional Materials and Applications, School of Materials Science and Engineering, Xiamen University of Technology, Xiamen 361024,China
- Email： xmutlh@126.com
- Introduction：李　辉（1983—），男，副教授，硕士生导师，主要从事激光微连接成型及产业化的研究。E-mail： xmutlh@126.com。
LI Hui
1 ,
- Affiliation：
  Fujian Key Laboratory of Functional Materials and Applications, School of Materials Science and Engineering, Xiamen University of Technology, Xiamen 361024,China
GE Xiaohong
1 ,
- Affiliation：
  Fujian Key Laboratory of Functional Materials and Applications, School of Materials Science and Engineering, Xiamen University of Technology, Xiamen 361024,China
LI Fenqiang
1 ,
- Affiliation：
  Fujian Key Laboratory of Functional Materials and Applications, School of Materials Science and Engineering, Xiamen University of Technology, Xiamen 361024,China
WANG Qifan
1 ,
- Affiliation：
  School of Materials Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
HUANG Anguo
2
Vol. 54, Issue 3, Pages: 80-88(2024)
Published： 25 March 2024 ，
DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.03.13

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宰建轩，李辉，葛晓宏，等.高密度芯片激光钎焊温度场及应力场数值模拟研究［J］.电焊机，2024，54（3）：80-88.

ZAI Jianxuan, LI Hui, GE Xiaohong, et al.Numerical Simulation of Temperature-stress Field in Laser Soldering of Bumps[J].Electric Welding Machine, 2024, 54(3): 80-88.
宰建轩，李辉，葛晓宏，等.高密度芯片激光钎焊温度场及应力场数值模拟研究［J］.电焊机，2024，54（3）：80-88. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.03.13.

ZAI Jianxuan, LI Hui, GE Xiaohong, et al.Numerical Simulation of Temperature-stress Field in Laser Soldering of Bumps[J].Electric Welding Machine, 2024, 54(3): 80-88. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2024.03.13.

Numerical Simulation of Temperature-stress Field in Laser Soldering of Bumps

ZAI Jianxuan ; LI Hui ; GE Xiaohong ; LI Fenqiang ; WANG Qifan ; HUANG Anguo ;

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Abstract

The study aims to explore the impact of laser brazing process parameters on the quality of bump solder joints in high-density chip manufacturing. A three-dimensional transient thermal coupling numerical model was established using finite element methods, and the Gaussian volume heat source model and iSoldering software were utilized to simulate the temperature and stress fields of SnAgCu brazed convex points. The research investigated the variation rules of SnAgCu brazing solder joints under different powers of 10 W, 15 W, 20 W, and different spot radii of 0.09 mm, 0.3 mm, and 0.5 mm. The findings revealed that laser power and spot radius are the key parameters affecting solder joint quality. With some parameters remaining unchanged, an increase in laser power resulted in more complete brazing material melting, better wettability, but also greater equivalent stress. The increase in spot radius led to a decrease in solder joint temperature and equivalent stress. By comparing numerical simulations with actual brazed joints, the results showed that the best quality of SnAgCu convex point laser brazing solder joints was achieved when the laser power was 15 W, the spot radius was 0.09 mm, and the welding speed was 0.1 mm/s. The simulated convex point brazing solder joints matched the actual brazed results with an accuracy of 85%, verifying the accuracy and reliability of the simulation results. This study provides theoretical guidance for improving actual laser brazing processes and explores the impact of the thickness of intermetallic compounds formed between the brazing material and the solder pad on solder joint quality, offering a theoretical basis for enhancing solder joint connection strength.

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Keywords

laser soldering; salient point; finite-element modeling; temperature field; stress field

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0 引言

随着集成电路的发展，芯片设计更加趋向微型化、功能化和复杂化，这对芯片制造技术提出了更为严苛的要求。激光以其能量密度高、热输入低，可实现微米甚至纳米尺度的连接，被认为是极大规模集成电路制造的理想方法^［

1］。然而，由于激光极快的加热和冷却速度，其工艺参数窗口窄，微小偏差便可导致焊点出现成形性差，甚至变形、开裂等问题^{［Reference 2

Baidu Scholar

2］}。因此，如何精准地获得工艺参数窗口，抑制缺陷，是激光钎焊应用于高密度芯片制造亟待解决的瓶颈问题。而依靠经验和试错实验方法，在面对尺寸极小、高温瞬时的激光钎焊微连接过程，存在工艺可移植性差甚至无法获得可靠工艺窗口，且成本高周期长等缺点。近年来，随着焊接模拟技术的快速发展，利用模拟仿真计算方法建立工艺参数和温度场的精确关系，通过控制温度场得到合适的应力场及其分布，消除焊接缺陷，获得高质量焊点，是国内外集成电路高密度芯片制造的优化方案^{［Reference 3

Baidu Scholar

3］}。

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目前，国内外研究者已开展了一些有关对激光钎焊的数值模拟方面的研究。比如焊点力学性能与激光钎焊参数的关系^［

4］，计算钎焊过程中温度场和应力场^{［Reference 5-8

5-8］}，采用新的三维瞬态热力耦合数值模型优化焊接工艺^{［Reference 9

Baidu Scholar

9］}，通过数值分析金属间化合物IMC尺寸对焊接性能的影响^{［Reference 10

Baidu Scholar

10］}。综上，激光钎焊数值模拟研究主要集中于热源模型以及温度场和应力场计算等方面，却忽略了激光钎焊过程中液态钎料几何形状对凸点性能的影响规律。

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本文以凸点激光钎焊为研究对象，模拟不同焊接工艺参数下液态钎料熔池的几何形貌、温度场和应力场，并观察分析上述参数对焊点组织形貌和生成IMC层厚度的影响规律，在保证模拟结果与实际吻合的前提下，确定影响焊点质量的工艺参数，最后根据结果优化焊接工艺参数。

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1 试验设备及方法

试验设备采用LY1880AT双工位恒温精密送丝激光锡焊机，输出功率为80 W、中心波长915 nm、工作电流12 A、工作电压14 V。激光光斑半径参数通过激光器预先设定，激光功率、焊接速度参数通过操控工控机设定。试验母材选用材质为FR-4的PCB板，基于iSoldering软件模拟焊接过程，通过改变工艺参数探究影响焊点质量的因素，最后对模拟结果进行验证。iSoldering软件为华中科技大学研发的集成多种热源模型，能够模拟仿真激光焊接温度场、应力场以及变形随时间变化的数值模拟软件，相比ANSYS、COMSOL软件在保证结果准确的同时操作更简单。

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针对焊点显微组织的观察，首先将钎焊焊板切开，使用环氧树脂对焊点进行冷镶操作。再依次使用320#到1500#的砂纸进行打磨，然后使用金刚石抛光膏对焊点切面进行抛光。最后使用硝酸酒精腐蚀液对抛光面进行腐蚀，将制作好的样品使用金相显微镜观察分析。

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2 数学模型建立

2.1 几何模型

本研究建立包括FR-4基板、铜焊盘、焊点三个部分的三维模型。因PCB板上的焊点都是采用同样的工艺参数，在不影响仿真结果的前提下，可选取焊盘上的单个焊点进行数值模拟分析。

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2.2 有限元模型

因激光钎焊过程中变化过程复杂，如焊接热源集中度较高容易导致焊接温度梯度变化量比较大，因此在网格划分时需在不同区域设置尺寸规格不同的网格。由于焊点和铜焊盘处温度和应力较为集中，设置较密的网格，网格尺寸为0.000 1，以便计算焊接温度场、应力场时得到较为精准的数据；基板则使用略大于焊点的网格，网格尺寸为0.000 7，减少计算工作量^［

11］。划分结果如图1所示。

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图1 焊点有限元模型及局部放大

Fig.1 Finite element model of solder joint and local magnification diagram

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2.3 材料热物理性能

在焊接过程中，材料的热物理性能随温度剧烈变化，而所建立模型为焊接最终形态，因此仿真过程中可认为在焊接过程中材料的参数基本保持稳定^［

12］。本研究用到的钎料为Sn98.5-1.0Ag-0.5Cu，基板材料为FR-4的PCB板，焊盘材料为Cu70Ni30，其材料热物理参数如表1所示。

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表1 试验用材料的热物理参数表

Table 1 Material property parameters

材料

比热

/(J/kg·K)

导热系数

/(W/m·K)

密度

/(kg/m³)

熔点

/℃

熔化潜热

/（10⁵kg/J）

Sn98.5-1.0

Ag-0.5Cu

230

65.25

7 340

227

0.645 7

FR-4

950

5.8

1 700

300

—

Cu70Ni30

112

172

8 500

1 240

3.765

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2.4 热传导方程与边界条件

在焊接传热分析阶段，导热速率与温度梯度及传热面积成正比，且呈现出非线性特点，其热传导控制方程为傅里叶热传导定律：

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$\begin{matrix} \begin{array}{l} ρ c_{p} \frac{\partial T}{\partial t} = \frac{\partial}{\partial x} (k \frac{\partial T}{\partial x}) + \frac{\partial}{\partial y} (k \frac{\partial T}{\partial y}) + \frac{\partial}{\partial z} (k \frac{\partial T}{\partial z}) \\ + q (x, y, z) \end{array} \end{matrix}$

（1）

式中　密度 $ρ$ 、比热容 $c_{p}$ 、热传导率 $k$ 均和温度 $T$ 相关；t为时间； $(x, y, z)$ 为空间坐标； $q (x, y, z)$ 为空间位置 $(x, y, z)$ 处的热流密度。

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激光钎焊过程中的热对流和热辐射是热传导的主要方式，设置合理的物理边界条件是较为准确建立焊接温度场数学模型的前提。分析焊接工件能量损失时，不仅需要考虑工件内部的热传导损失，而且由于激光特性不均匀所引起的热对流以及向外界热辐射所造成的焊接温度损失更是研究重点^［

13］。热对流所引起的热损失

$q_{c}$ 可用下式表达：

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$q_{c} = - h_{c} (T_{s} - T_{0})$

（2）

式中　初始温度 $T_{0}$ 常设定为室温； $T_{s}$ 为焊接试样表面温度； $h_{c}$ 为等效热交换系数（W/（ $m^{2} \cdot$ ℃）），其表达式为

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$h_{c} = \{\begin{matrix} 0.0668 T, T < 500 ℃ \\ 0.231 T - 82.1, T \geq 500 ℃ \end{matrix}$

（3）

热辐射所引起的热损失用斯特藩定律来描述：

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$q_{r} = ε σ (T_{s}^{4} - T_{0}^{4})$

（4）

式中　 $ε$ 和 $σ$ 分别为斯特藩常数及热发射率； $q_{r}$ 为热辐射引起的热损失。

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2.5 热源模型

精确合理的热源模型可以准确反映出激光钎焊数值模拟过程中焊接温度场三维分布状态以及焊件表面受热状态，这为温度场和应力场分析提供了重要基础^［

14］。激光钎焊时激光束的热流密度不仅作用于钎料合金的表面，还有深度方向上的能量分布。对于激光钎焊温度场的数值计算，常可将热源看成点热源或面热源，面热源的能量密度分布主要为高斯热源分布或圆形光斑内的均匀分布^{［Reference 15

Baidu Scholar

15］}。因此，本研究拟选用高斯体热源模型，如图2所示。

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图2 高斯体热源模型

Fig.2 Gaussian body heat source model

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根据实际工艺，试验温度设为20 ℃，焊接时间取为1 s。由于激光钎焊功率较低，焊接时熔池较小，可不考虑钎料受热熔化后的润湿流动性和材料的各向同性。热源能量密度分布形式主要为高斯分布，热流密度分布式为：

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$q = \frac{9 η q_{m}}{π r_{0}^{2} H (1 - e^{- 3})} e x p [\frac{- 9}{r_{0}^{2} l o g (H / z)} (x^{2} + y^{2})]$

（5）

式中　 $q$ 为热源密度； $q_{m}$ 为激光最大输入能量； $r_{0}$ 为激光作用在材料上表面的光斑半径； $η$ 为焊接效率； $H$ 为热源高度； $x$ ， $y$ ， $z$ 为热源坐标。热源参数经校核后， $r_{0}$ 取0.09 mm， $η$ 取0.9， $H$ 取1 mm时可以较准确地模拟出焊接时的温度及应力分布情况。

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3 结果与讨论

3.1 焊点节点选取

为分析焊点各位置在不同功率和光斑半径下的温度和应力变化曲线，根据距离热源的远近，沿焊点竖直方向自上而下取4个位置节点，如图3所示，计算各位置节点的热循环曲线和应力循环曲线。

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图3 焊接节点位置选取

Fig.3 Welding node location selection diagram

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3.2 激光功率对仿真结果的影响

准确模拟激光钎焊的温度场是分析焊接应力的关键，而焊接温度场的变化主要与激光功率有关。取焊接速度为0.1 mm/s，光斑半径为0.09 mm，激光功率分别为10 W、15 W、20 W。

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3.2.1 激光功率对焊接温度场的影响

对比不同功率下出现焊点最高温度时激光钎焊温度场的分布，如图4所示。可以看出，靠近热源中心前部的温度梯度大，热源后方远离热源中心的区域的温度梯度小。激光功率为10 W、15 W、20 W时，焊点最高温度分别为259.48 ℃、382.90 ℃、506.02 ℃。焊点在激光直接作用下吸收的能量最多，温度也最高，而铜焊盘和基板的温度变化主要依靠材料的热传导，故温度较低。因此，保持其他参数不变，激光功率增大时，焊点吸收的能量也增大，焊点温度随之升高。此外，激光功率为20 W时，焊点温度过高，远大于钎料熔点。

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图4 不同功率下焊点温度分布

Fig.4 Solder joint temperature distribution under different power

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润湿是钎焊完成的前提，固态钎料通过激光在高温下变为液态，液态的钎料与母材相互结合和扩散，形成金属间化合物，因此钎料对母材的润湿效果影响着钎焊质量的好坏^［

16-17］。根据各功率下的焊点温度和钎料熔点，计算焊点熔池区域。从图5a可以看出，激光功率为10 W时，功率较低，焊点吸收的能量不足以使钎料完全熔化，焊点熔池过小，钎料熔化不完全，钎料的润湿性较差，难以形成完整的焊点；图5b、5c功率提升，焊点吸收的能量增多，焊点温度升高，焊点熔池体积增大，钎料可以顺利熔化，钎料的润湿效果较好。在不损害焊接基板的情况下，钎料的润湿性越强，熔化得越彻底，与基板的结合也越紧密，从而使得焊接点的质量更高

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图5 不同功率下焊点熔化区域

Fig.5 Melting area of solder joint under different power

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从焊点上选取图3位置节点，计算各点在不同激光钎焊功率下的热循环曲线，如图6所示。可以看出，各点在不同功率下的热循环曲线变化趋势大致相同。刚开始焊接时，焊点上各位置节点的温度在激光作用下短时间内急剧升高，位置距离热源越近，温度越高。温度升高到峰值后，随着激光作用结束，没有能量输入，各位置又很快下降到室温，最后保持不变。

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图6 不同功率焊点节点热循环曲线

Fig.6 Thermal Cycle Curve of Different Power Solder Joints

3.2.2 激光功率对焊接应力场的影响

对比不同功率焊点出现最大应力时的云图分布，如图7所示。激光功率为10 W、15 W、20 W时，焊点最大等效应力分别为208.49 MPa 、284.53 MPa、365.68 MPa。由于焊接过程中焊点不均匀受热和不均匀冷却，可以看出焊点应力主要集中于铜焊盘与焊点交界位置处，即焊缝区域。随着焊接功率的提升，焊点温度升高，焊接所产生的等效应力也随之升高。

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图7 不同功率焊点应力分布

Fig.7 Stress distribution map of different power solder joints

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不同功率下焊点各位置节点的焊接应力循环曲线如图8所示。可以看出，焊点等效应力变化主要集中于位置4处，即焊点与铜焊盘交界处，该位置等效应力变化幅度最大。如图8a所示，当功率为10 W时，焊点温度过低，钎料熔化不完全，各位置等效应力较小，但分布不均匀；如图8b所示，当功率为15 W时，焊点各位置最后的等效应力值相对较小，且分布均匀；如图8c所示，当功率为20 W时，位置4处的等效应力变化幅度大，在焊接结束后产生较大残余应力。

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图8 不同功率焊点节点应力变化曲线

Fig.8 Different power solder joint node stress curve

3.3 光斑半径对仿真结果的影响

除激光功率会对焊点温度场产生影响外，激光光斑半径也是影响焊点温度场的重要因素。保持焊接速度为0.1 mm/s，激光功率为15 W，取激光光斑半径分别为0.3 mm、0.5 mm时对焊点温度场和应力场进行对比分析，研究激光光斑半径大小对焊点温度和应力的影响。

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3.3.1 光斑半径对温度场的影响

不同光斑半径下焊点出现最高温度时的温度场分布如图9所示。激光光斑半径为0.3 mm、0.5 mm时，焊点最高温度分别为255.81 ℃、200.64 ℃。随着光斑半径增大，焊点温度反而逐渐降低，甚至在0.5 mm光斑半径时焊点的最高温度也不足以使钎料熔化，见图9b。这是因为激光功率相同时，输入能量相同，但是光斑半径增大，相同区域吸收的激光能量减少，焊点温度降低。

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图9 不同光斑半径焊点温度分布

Fig.9 Temperature distribution of solder joints with different spot radii

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分析不同光斑半径下选取的焊点各位置节点热循环曲线，如图10所示。由于选用热源相同，改变光斑半径与改变激光功率焊点的热循环曲线变化趋势相同。在焊接过程中焊点温度先急剧上升，达到峰值后，急剧下降，最后达到室温后趋于稳定。

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图10 不同光斑半径焊点节点温度循环曲线

Fig.10 Temperature cycle curve of solder joint node with different spot radius

3.3.2 光斑半径对应力场的影响

根据不同光斑半径下的最大等效应力分布图和各位置节点应力变化曲线，如图11、图12所示。激光光斑半径为0.3 mm、0.5 mm时，焊点最大等效应力分别为263.188 MPa、250.551 MPa。焊点的等效应力随着光斑半径增大而减小，且等效应力变化仍主要位于位置4处。

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图11 不同光斑半径焊点节点应力分布

Fig.11 Stress distribution diagram of solder joint with different

spot radius

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图12 不同光斑半径焊点节点应力变化

Fig.12 Stress variation diagram of solder joint with different spot radius

3.4 实际焊接验证

（1）焊点。根据模拟结果，选取焊接速度为0.1 mm/s，光斑半径为0.09 mm，激光功率为15 W时对PCB板进行焊接，对比焊点模拟温度场与实际焊接时FLIR红外热成像仪所测焊点温度，如图13所示。模拟焊点温度场出现最高温度为382.895 ℃，见图13a，实际焊接焊点所出现最高温度为375 ℃，见图13b，模拟相差7.895 ℃，温度误差约为2.1%，故模拟所选用的焊接参数较合理，模拟结果较准确。

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图13 模拟温度与焊接温度对比

Fig.13 Comparison between simulated temperature and welding

temperature

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（2）PCB板。根据模拟仿真结果，取焊接速度为0.1 mm/s，光斑半径为0.09 mm，激光功率为10 W、15 W、20 W时对PCB板进行激光钎焊，焊点形貌如图14所示。当功率为10 W时，钎料未完全熔化，见图14a；当功率为15 W时，焊点形貌较好，见图14b；当功率为20 W时，焊点温度过高，焊点周围有烧坏迹象，见图14c。

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图14 不同功率焊点形貌

Fig.14 Solder joint morphology diagram under different power

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3.5 焊点显微组织观察

在金相显微镜下观察15 W和20 W的焊点金相组织，如图15所示。从图15a可以看到15W时，焊点形貌完整，钎料与铜焊盘结合较好；图15b中，激光功率为20 W时，钎料和铜焊盘在高温下形貌组织破坏较严重，已经无法看到完整的焊盘和钎料，表明激光功率过大，焊点温度过高。

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图15 焊点金相组织

Fig.15 Metallographic structure of solder joints

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继续放大观察功率为15 W时焊点的金相组织，如图16所示。可以看到，15 W功率下焊点组织晶粒明显，锡钎料与铜焊盘结合较好，且结合部分组织发生变化。根据金相分析结果可知，钎焊过程数值模拟结果与试验结果吻合。

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图16 15 W功率焊点金相组织

Fig.16 15 W power solder joint metallographic structure

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在钎焊过程中，金属间化合物IMC的形成对焊点的宏观和微观力学行为有重要影响，适当的IMC的厚度可以增强焊点与焊盘的连接强度^［

18-19］。采用场发射扫描电镜对15 W功率的焊点做进一步分析，焊点SEM能谱分析如图17所示。图17a中，PCB板a区域为基板，成分为环氧树脂；b区域为铜焊盘，主要元素为Cu；c区域为焊盘与钎料结合区域，该区域Cu向钎料扩散，生成厚度约为4 μm的金属间化合物IMC；d区域主要元素为Sn。钎料与铜焊盘在高温下融合扩散所生成适当厚度的IMC是形成良好焊点的证据。

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图17 焊点SEM能谱分析

Fig.17 SEM energy spectrum analysis of solder joint

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4 结论

（1）通过有限元方法建立三维瞬态热耦合数值模型，选用高斯体热源为热源模型，研究了激光钎焊过程中不同工艺参数对焊点质量的影响。可以较准确地模拟出焊点的温度场和应力场分布，数值模拟结果与实际焊接吻合度达到85%，验证了模拟的准确性，为实际激光钎焊工艺提供了理论指导。

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（2）激光功率和光斑半径是影响激光钎焊焊点质量的关键参数。随着激光功率的升高，钎料吸收的能量变多，焊点温度也随之升高，钎料熔化更完全，钎料的熔融效果越好，钎料的润湿性越好，钎料与焊板的结合性也越好，但与此同时焊点与铜焊盘交界处也会产生更大的等效应力。相比10 W、15 W功率，20 W时焊点达到最高温度506.02 ℃，等效应力也达到最大（365.68 MPa）。而光斑半径的增大会导致焊点温度和等效应力降低。激光光斑半径为0.5 mm时，焊点最高温度为200.64 ℃，最大等效应力250.551 MPa，均低于光斑半径为0.3 mm时。同样的输入能量，激光光斑半径越大，能量密度越小，穿透能力越弱，焊点的温度场和应力场数值越小。

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（3）对于SnAgCu凸点激光钎焊来说，激光功率为15 W、光斑半径为0.09 mm、焊接速度为0.1 mm/s时，钎料与铜焊盘结合较好，焊点组织形貌完整，焊点质量最好。

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（4）高密度芯片激光钎焊技术是微电子制造领域的关键技术之一，涉及到材料科学、热力学、光学、力学等多个学科。在进行激光钎焊温度场及应力场的数值模拟研究时，存在几个方面的挑战和问题尚待研究和解决：多物理场耦合模拟，材料性能的非线性，如何准确预测和控制在激光钎焊过程中的温度梯度和热应力分布，钎料流动的精确模拟，有效的实验验证，工艺参数优化，跨尺度的模拟并将不同尺度下的模拟结果有效结合等。未来需要在理论建模、计算方法、实验技术等多方面进行创新，以推动高密度芯片激光钎焊技术的发展。

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摘要

旨在探讨激光钎焊工艺参数对高密度芯片制造中凸点焊点质量的影响。通过有限元方法建立了三维瞬态热耦合数值模型，并利用高斯体热源模型和iSoldering软件模拟了SnAgCu钎料凸点激光钎焊的温度场和应力场，研究不同功率10 W、15 W、20 W和不同光斑半径0.09 mm、0.3 mm、0.5 mm下SnAgCu钎料钎焊焊点的变化规律。研究发现，激光功率和光斑半径是影响焊点质量的关键参数。在部分参数不变的情况下，随着激光功率的增大，钎料熔化更完全，润湿性更好，但也会产生更大的等效应力。增大光斑半径会导致焊点温度和等效应力降低。经过数值模拟和实际钎焊焊点的对比，结果表明：当激光功率为15 W、光斑半径为0.09 mm、焊接速度为0.1 mm/s时，SnAgCu凸点激光钎焊的焊点质量最佳，模拟凸点钎焊的焊点与实际钎焊结果吻合度达到85%，验证了模拟结果的准确性和可靠性。同时探讨了钎料与焊盘之间生成的金属间化合物厚度对焊点质量的影响，为提高焊点连接强度提供了理论依据。

Abstract

and the Gaussian volume heat source model and iSoldering software were utilized to simulate the temperature and stress fields of SnAgCu brazed convex points. The research investigated the variation rules of SnAgCu brazing solder joints under different powers of 10 W

15 W

20 W

and different spot radii of 0.09 mm

0.3 mm

and 0.5 mm. The findings revealed that laser power and spot radius are the key parameters affecting solder joint quality. With some parameters remaining unchanged

an increase in laser power resulted in more complete brazing material melting

better wettability

but also greater equivalent stress. The increase in spot radius led to a decrease in solder joint temperature and equivalent stress. By comparing numerical simulations with actual brazed joints

the results showed that the best quality of SnAgCu convex point laser brazing solder joints was achieved when the laser power was 15 W

the spot radius was 0.09 mm

and the welding speed was 0.1 mm/s. The simulated convex point brazing solder joints matched the actual brazed results with an accuracy of 85%

verifying the accuracy and reliability of the simulation results. This study provides theoretical guidance for improving actual laser brazing processes and explores the impact of the thickness of intermetallic compounds formed between the brazing material and the solder pad on solder joint quality

offering a theoretical basis for enhancing solder joint connection strength.

关键词

激光钎焊凸点有限元分析温度场应力场

Keywords

laser solderingsalient pointfinite-element modelingtemperature fieldstress field

references

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