如何防止PCB由于热应力和结构应力失效？

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随着 PCB 能量耗散逐步上升和尺寸不断减小，PCB热应力和结构应力造成电子系统失效的可能性正在不断上升。由于需要强大计算能力去求解包含PCB详细几何结构的有限元模型，利用仿真得到准确PCB变形是不可行的。

当使用分割PCB导入材料性能从而简化PCB几何结构的方法后，这种新型多物理场方法可以用来克服上述难题。在新版本下，工程师可以利用这种新方法来精确预测由于热应力、随机振动、外部冲击所造成的PCB变形。

挑战

数量更庞大的电子元件正在推动众多行业的产品创新，包括汽车、家用电器、越野车、制造设备、公共交通、健康与健身以及零售设备等。这类电子元件的绝大部分都安装在PCB上。

制造与工作过程中的热循环会因铜和电介质之间的热膨胀系数（CTE）不同而引起 PCB变形。外壳、组件和PCB之间的热膨胀系数差异可能会造成额外的电路板变形。此外，随机振动和机械冲击也会造成更多变形。这种变形会拉伸和挤压用于接触PCB与各组件的焊球，并可导致焊点疲劳及其它失效，从而引起质保索赔、客户不满以及极少数情况下的死亡事故。例如，印尼国家运输安全委员会的一篇报告称PCB热循环引起的焊点疲劳导致了方向舵失灵，加上飞行员的人为错误，最终造成了2014年12月一架亚航客机坠毁以及162人丧生。

工程师一直都能够确定热点源并使用 ANSYS SIwave电路分析器计算PCB 迹线与通孔的焦耳热。他们可将这些热源用作ANSYS Icepak系统级热仿真的输入，用于判断电路板上和电路板周围的温度场。但是由于研究每条迹线及每个通孔的电路板详细模型一般都很大而且复杂，无法在合理的时间进度内完成分析。因此工程师不能预测电路板在制造及工作周期中的变形。

ANSYS SIWave生成DC解

解决方案

ANSYS已经开发出一种全新的多物理场方法，能够在正常设计迭代周期内准确地仿真热和机械载荷下的电路板性能。新方法首先使用SIwave计算电路板上的DC电流和电压，然后将其用于计算焦耳热。由于电路板尺寸缩小而功耗保持不变甚至不断增加，因此焦耳热正日渐成为PCB中热载荷的重要来源。

ANSYS Icepak预测

左 40.0摄氏度下没有焦耳热的最高温度

右 76.6摄氏度下具有焦耳热的最高温度

然后可使用ANSYS SpaceClaim构建一个结构模型，用于读取ECAD几何结构并将其转换为固体几何结构层。ANSYS Mechanical可将这些固体层离散化为单元网格。通过以下方式表示ECAD几何结构的详细信息：根据每个单元准确的金属和电介质比例为每个单元分配相应的材料属性。得到的有限元模型能非常准确地预测热或机械载荷在电路板任何位置上所产生的应力、应变和变形，所需时间仅为求解所有详细电路板几何结构时的一小部分。

ANSYS SpaceClaim Direct Modeler中的完整几何结构

总结

这种全新的多物理场分析方法可让工程师第一次在典型设计周期时限内就能准确仿真PCB的热及机械载荷效应。工程师可使用这一方法评估所推荐的设计，判断热或机械载荷是否会导致问题，并对推荐的设计变更解决这些问题的效果进行评估。这一方法可让产品设计在设计流程早期阶段解决热载荷问题，从而可减少产品失效和质保索赔，同时通过避免进行成本高昂的设计后期更改，缩短上市时间和节省工程费用。

ANSYS Mechanical