Ansys 模擬技術優化 PCB 以應對振動、衝擊和熱循環- 艾索科技

2024.08.19

Ansys 模擬技術優化 PCB 以應對振動、衝擊和熱循環

在設計印刷電路板 (PCB) 時，請記住電子故障的主要原因：熱循環、振動、機械衝擊和跌落。我們可以執行各種物理測試來確定電子產品發生故障的原因和方式，但是更快且經濟高效的解決方案是 PCB 建模和模擬。

當模擬與實體測試結合使用時，也就是當物理測試根據模擬結果進行客製化，並且只需要一到兩次測試時，電子產品的可靠性實際上才可以得到保證。

針對振動的 PCB 設計優化

在優化 PCB 振動設計時，第一步是確定 PCB 的固有頻率範圍。要完成 PCB 振動測試，我們需要執行模態分析或固有頻率分析，這可以使用 Ansys Sherlock 或是 Ansys Mechanical 等振動模擬工具來確定。

在下面的範例中，我們可以看到 PCB 振動分析，其中板底部附近有 3 個高風險的組件，而安裝點和大組件的附近存在應變，為了優化設計，我們可以移除中心安裝點並增加兩個安裝座，這會減輕壓力並解決其中一個問題組件。

Ansys Sherlock 中的 PCB 振動分析

接下來，我們可以在剩下的 2 個高風險組件上增加黏合固定，以提供額外的組件支撐，並減輕一些壓力。

移除中心安裝點並新增兩個附加安裝座

同時我們也可以考慮將較大的元件移離高應變區域，如安裝點、大型零件之間或附近的區域，或是 V 分數斷裂附近的區域，並使應變敏感元件（如 BGA、陶瓷電容器和 QFN）遠離高應變區域。這將確保 PCB 設計針對隨機振動和諧波振動進行最佳化。

透過黏合固定解決組件 U33 和 U34 的風險問題

當 PCB 版突然受到不規則的加速度所引起的機械位移時，就會發生機械衝擊，更具體來說，機械衝擊發生的時間不超過 20 毫秒，且加速度至少達到 10 G，且發生次數不超過 100,000 次。

在進行抗衝擊 PCB 的設計時，有個很好的經驗法則是，電路板的諧振頻率應至少比衝擊脈衝頻率高 3 倍，下面讓我們來看看衝擊分析的範例：

範例：10 毫秒的脈衝

機械衝擊加速度隨時間變化的圖表

而為了減輕機械衝擊和跌落所造成的 PCB 故障風險，我們可以使用多種策略，包括：

1. 激勵減少

2. 組件級別

3. 印刷電路板設計

溫度循環是電子故障最常見的原因，通常是由 PCB 元件和電路板之間的熱膨脹係數 (CTE) 不匹配所引起的，元件和電路板之間的 CTE 不匹配越大，焊點失效的可能性就越高。

然而，故障也可能是由局部事件所引起，例如在汽車電子產品中，PCB 經常被過度限制在鋁製外殼內，PCB 的冷側會收縮，或熱側會膨脹，或是兩者兼而有之，從而導致電路板彎曲。

要分析此類局部事件，我們通常需要進行應變與應變的比較，這是針對沒有外殼的電路板，以及有外殼電路板的另一種分析，將有助於確定由於底盤或外殼而導致的應變增加情況。

PCB 熱分析範例

下面的範例顯示了針對沒有外殼的主機板進行分析，我們可以看到壓力出現在 BGA 上。

Ansys Sherlock 中 PCB 的熱機械分析 (無外殼)

接著我們對電路板外殼進行分析，可以看到應力增加了一倍。

Ansys Sherlock 中 PCB 的熱機械分析 (附機殼)

從下表中，我們可以看到 Sherlock 提供的焊接疲勞可靠性預測，將 PCB 板安裝在底盤中會增加 PCB 板的故障風險，為了減輕這些風險，我們需要考慮不同的外殼材料、不同的 PCB 安裝點、黏合劑固定或其他組件位置。

Ansys Sherlock 中有 5 個有風險組件的焊接疲勞可靠度預測

正如今天分享的三個範例所示，當我們在設計針對振動、衝擊和熱環境的 PCB 板時，可以做出的最重要設計決策是：

模擬這些環境因素將減少測試迭代和設計的時間，並為您的產品可靠性和使用壽命提供有價值的見解。

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