基于ABAQUS对手机USB的热应力仿真分析

基于ABAQUS对手机USB的热应力仿真分析

叶玮

维沃移动通信有限公司 广东东莞 523000

[摘要]手机产品中USB插座贴片时发生中间焊脚上翘假焊现象，通过ABAQUS对USB进行热应力仿真建模分析，确认假焊产生原因为USB内部的密封硅胶热膨胀系数过大造成USB翘曲变形，从而造成假焊。针对USB热应力产生的假焊现象进一步进行方案仿真分析提出了改善建议。

[关键词]手机产品；USB；热应力；ABAQUS；仿真分析；

前言：

USB 是一个外部串行总线的技术标准，是一种广泛应用于手机和其他移动电话设备及其周边的总线接口技术[1]。手机USB接口端子作为数据传输和充电功能是手机一个常规的元器件，在贴片时需要进行从常温到高温的过炉工艺，常发生焊脚假焊翘曲现象，导致手机电源线或数据线插入USB接口端子接触不良。为了研究手机USB的假焊现象，采用ABAQUS对USB进行热应力仿真，找出失效原因，并对比不同的方案，为改善假焊现象提供理论依据。

1、简述ABAQUS

ABAQUS是一款强大的有限元分析软件，不仅能进行有静态和准静态的分析、瞬态分析、流体、声学、疲劳分析而且可以进行热应力分析以及热固藕合分析[2]。ABAQUS在机械、电子产品设计中得到了广泛地应用，在热应力分析中具有多种分析类型：非耦合传热分析、顺序耦合热应力分析、完全耦合热应力分析、绝热分析、热电耦合分析、空腔辐射等。本文运用ABAQUS对手机的USB接口端子进行热应力仿真，尝试运用ABAQUS解决USB接口端子贴片时发生的焊脚上翘假焊现象。

2、基于ABAQUS手机USB热应力的仿真分析

2.1仿真模型设置

采用ABAQUS耦合温度位移稳态分析（Coupledtemp-displacemen

t）对手机USB进行热应力仿真分析。首先对手机USB进行网格划分，网格划分完成后进行材料参数的设置，材料参数需包含热膨胀系数，保证USB在加热升温过程中由于热应力发生变形。注意不同材料的热膨胀系数不同，手机USB结构中包含密封硅胶、金属和塑料，需要将实际的热膨胀系数输入到仿真模型中，否则影响仿真的精度。

手机USB在贴片时左右两个大的焊脚固定，整个USB的初始温度为25°，当温度上升到280°时，USB会发生热膨胀变形。仿真时单元类型设置成C3D8T，建好的仿真模型如图1所示。

图1 USB仿真模型

2.2仿真结果

手机USB热应力仿真模型建好提交给计算机计算后，查看结果文件。打开odb查看USB的变形位移，因热应力带来的USB的变形较小，故将变形图放大10倍查看仿真结果，变形云图显示USB各个位置的变形不均匀，固定区域的变形很小，最大的位移发生在中间焊脚处，大约为0.065mm，和实测的结果一致，说明仿真模型仿真精度足够。进一步查看位移云图（如图2所示），发现USB端子的中间焊脚附近有密封硅胶，密封硅胶的变形明显大于旁边的金属件和塑料件，正是由于密封硅胶的膨胀变形才导致旁边焊脚发生翘曲变形。

进一步分析密封硅胶的热膨胀系数是远大于金属和塑胶的，因而密封硅胶的变形明显大于旁边的金属件和塑料件。

图2 USB热应力仿真结果

定位到USB的密封硅胶导致中间焊脚翘曲假焊的原因后，继续验证一个USB没有密封硅胶方案进行仿真验证，仿真结果显示不带密封硅胶的USB中间焊脚位置变形只有0.035mm，变形位移要远远小于带密封硅胶的USB，因而可以确定USB的密封硅胶的热膨胀系数太大是导致USB中间焊脚翘曲假焊的原因。

2.3方案优化

USB中间焊脚翘曲假焊是密封硅胶的热膨胀系数太大造成的，需减小USB中间焊脚的变形。因密封硅胶有防水的功能不能取消，所以只能考虑其它方法来减小焊脚的变形。有两个思路：CASE1选用硬度较软的密封硅胶。硅胶的热膨胀系数虽然大，但如果材质较软，则挤压旁边结构件的力也会减小，从而达到减小USB焊脚变形的目的；CASE2为加强USBA焊脚附近的结构强度，如USB铁外壳局部加强，压住里面的塑料支架，同样的力产生的挤压变形也会减小。

运用ABAQUS仿真CASE1和CASE2的热应力，结果显示USB中间焊脚变形均减小了，只有0.03mm左右（如图3所示），验证了方案的有效性。实际产品中采用CASE2，实测的USB中间焊脚变形只有0.03mm，满足产品品质要求，实现了一次验证方案就改善了产品的质量。

图3 USB热应力改善方案仿真结果

3、结语

通过采用ABAQUS对手机USB进行热应力仿真，发现了工程中USB贴片过程中产生焊脚假焊的原因为USB密封硅胶的热膨胀系数太大导致。而选用硬度较软的密封硅胶和加强USBA焊脚附近的结构强度均可以有效地减小USB焊脚的变形进一步通过实验验证方案的有效性。采用ABAQUS热应力仿真可以有效解决电子产品的工程实际问题，减少产品的验证成本，节省开发周期，提高开发效率。

参考文献：

[1]张亮，李杰，张天佑.USB接口芯片CH376在专用控制系统中的应用[J].兵工自动化，2014(3): 51-53.

[2] 张建华，丁磊.ABAQUS基础入门与案例精通[M].电子工业初版社，2012:1