基于ANSYS的多层堆叠模块焊接残余应力分析及选材优化

摘要:

系统地分析了某特定多层堆叠模块的焊接残余应力情况，尤其针对性地研究了各功能层不同材料选择与焊接顺序在其残余应力影响中的角色。文章通过ANSYS有限元分析软件，采用ANAND本构模型来刻画焊锡的黏塑性行为，并通过基于接触的多点约束（MPC）算法实现跨尺度的自由度耦合，达到计算分析的目的。

多层堆叠




残余应力


引言:

随着现代电子技术的发展，高集成度、多层堆叠的瓦片式模块成为了微系统和有源相控阵雷达系统中的核心组件。这些模块集成了不同材料、结构形式的器件，通过层叠的方式进行组装，并通过胶接、焊接、压接等手段实现组件的结合。然而，层叠内的热膨胀系数失配会导致复杂的热应力和热变形问题，显著影响系统的精度与可靠性。分析和优化此类问题对于提升模块的性能至关重要。

有限元模型建立:

以某高集成瓦片式模块为例，构建了其焊接主体结构的有限元模型。模型细致地考虑了不同层材料的属性和层间的几何结构。底板层的候选材料包括Al/SiCp(65%)和TC4，盖板层候选材料则是可伐合金和TC4。材料参数及层间焊接选用焊锡作为连接层。模型使用ANSYS软件进行仿真分析，准确展现了不同条件下模块的热应力和变形特征。

ANAND模型简介:

在分析中，采用了ANAND本构模型来描述焊锡在不同温度下的黏塑性行为，通过其固有的物理性质参数和熔点变化来模拟焊锡本构特性的非线性变化。基于ANAND模型，焊锡承受应变速率和温度的影响，表现出了黏弹性的特征，并能通过解出应变和应变率的基本特性，反映其在复杂条件下的性能表现。

多点约束（MPC）应用:

为了克服底层与焊锡层之间网格匹配的困难，文章引人了基于接触的多点约束（MPC）算法。这一策略有效地建立了不同规模和几何特征组件间的耦合关系，进而提升了分析精度与效率。

计算结果与讨论:

通过分析不同焊接顺序和材料选择下的结果，发现焊接顺序对模块各功能层的应力分布影响相对较小，其影响主要体现于焊锡层部分。 Davis 等人对比了几种不同焊接方案的应力和变形情况，并发现，选用Al/SiCp(65%)作为底板材料可以降低底板和HTCC层的应力水平，同时减少整体模块的变形。选择热膨胀系数较低的可伐合金作为盖板材料有助于降低HTCC层应力，但可能会导致模块整体变形增加。

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