【成功案例】Ansys Sherlock 幫助德國馬牌公司預測焊球的熱應力疲勞

( Continental Automotive 德國馬牌公司 , 以下簡稱 Continental 公司 )

 

1. 提高電子產品性能並減少封裝已成為趨勢

電子產品越來越廣泛的被應用在汽車上。主動和被動安全系統、電力推進以及半自動和全自動車輛等新的創新促成了此增長。然而汽車設計師仍必須遵守相同的尺寸和包裝限制，以確保車輛尺寸和重量不會增加。正因為如此，人們一直致力於提高性能並同時推動電子元件和更小的封裝。

 

2. Continental 公司在改善電子元件時面臨的可靠性問題

在其印刷電路板組件 (PBCA) 中越來越多地使用球柵陣列 (BGA) 組件和高密度互連 (HDI)FR4 板，其中組件緊密放置在 PCB 的兩側，以確保最有效地使用板的空間。這些變化存在一些問題，Continental 公司注意到由於焊接疲勞導致焊點發生意外的可靠性問題。因此，預測這些故障的能力十分重要，Continental 公司能通過設計變更來避免這些故障。

目前預測高週疲勞（振動）焊料和銅引線的能力可以使用 Miner 規則來實現，但還需要能夠預測由於熱循環引起的低循環疲勞。Continental 選擇通過使用 Ansys Sherlock 對其電路板和組件進行建模來克服這一障礙。 Sherlock 對該項目的主要優勢在於它能夠快速建模和運行多次迭代、最大限度地減少熱循環和衝擊驗證測試、確定應力/應變的最大貢獻者並允許更改佈局。

 

3. Continental 公司工程師使用 Ansys Sherlock 進行建模分析 

為了開始 Sherlock 分析，Continental 的工程師將 Zuken ODB++ 文件導入 Sherlock，Sherlock 能夠快速讀取此文件中的所有資訊並生成具有完整疊層數據、所有組件和安裝條件及其位置和材料特性的代表性電路板。

該板具有⼀些鏡像 BGA 組件，其中板的 BGA 放置在板的頂部和底部的相對位置。板的兩面也塗有保形塗層，Sherlock 使用可用的灌封功能進行建模。

Sherlock 輕鬆地對具有高細節水平的單個組件進行建模，包括對 BGA 上的每個焊球進行建模，以確保即使是很小的焊接疲勞故障也能被捕捉到。這是通過使用內建的套件包管理器完成的，該套件包管理器包含許多常見的行業包以及如何最好地建模它們的說明。對於非標準組件，使用者可以將這些屬性輸入到套件包管理器中，Sherlock 仍然能夠準確地對它們進行建模，並保留這些資訊以供將來使用。

Continental 公司工程師定義了電路板的生命週期，包括振動、溫度和衝擊載荷。工程師還定義了生命週期目標和可接受的故障率和時間。電路板採用穩態條件以及從 (-40)°C 到 127°C 的循環溫度進行建模。

在定義了電路板、組件、邊界和負載條件後，Sherlock 使用熱機械條件分析了 PCBA。獲得這些結果後，對電路板進行修改和改造以消除鏡像 BGA。相反的，可移動 BGA 以便它們都位於電路板的同一側，然後使用相同的條件重新運行熱力學分析。

 

3. Ansys Sherlock 分析的主要發現

Continental 公司使用 Sherlock 確定了電路板在經過熱循環時的預期壽命，對具有高細節水平的組件進行建模的能力提供了更準確的結果，Sherlock 分析的初步結果表明：

• 採用鏡像組件確實會影響電路板的預期壽命，並且與一個未鏡像的板相比會導致更高的故障概率。

• 敷形塗層也會增加故障概率。然而一些不同的因素，如組件和位置，可以影響這個效果，工程師需要進⼀步調查以充分了解敷形塗層的影響，因為塗層、厚度和塗層組件都可能對最終失效概率產生影響。

 

4. 優勢 : 為什麼 Ansys Sherlock 是 Continental 公司的理想解決方案?

Continental 公司在設計驗證階段執行了 Sherlock，以研究在低週疲勞（熱循環）下鏡像組件和敷形塗層的影響。Sherlock 以 PoF 曲線的形式生成結果，使工程師能夠了解其 PCBA 的預期壽命。這些結果可以比傳統上可能他們用構建和測試樣本的方法還要更短的時間內即可獲得。由於在設計階段使用了 Sherlock，Continental 公司的工程師能夠使用這些結果來修改他們的電路板以獲得更好的設計，並找出需要更多調查的區域。Sherlock 在早期開發階段發現問題的能力，加快消除有缺陷的設計的過程，並避免未來衍生出其他問題。