2024.08.19
Ansys 模擬技術優化 PCB 以應對振動、衝擊和熱循環
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。
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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 |
針對衝擊的 PCB 設計優化
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
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50 赫茲的脈衝頻率
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板的共振頻率應大於 150 赫茲
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
- 減震器(主要用於大型電子組件)
- 外部緩衝(手機殼、保險桿)
- 質量彈射(電池彈出)
2. 組件級別
- 元件選擇
- 陶瓷電容器的柔性端接
- 導線式零件
- 黏合
- 底部填充/邊緣粘合/鉚接
3. 印刷電路板設計
- PCB 厚度
- 安裝點位置
針對熱循環的 PCB 設計最佳化
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:
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確保將應變敏感部件從高應變區域移除。
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移動安裝點以減輕電路板和組件上的壓力。
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仔細選擇材料。
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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