如何克服PCB建模挑战[2020年更新]

“最初发布于2017年11月。”

随着电子设备变得越来越小，越来越普遍，印刷电路板(pcb)和驱动它们的组件面临着越来越大的功率密度和越来越复杂的问题。为了确保产品的可靠性和性能，准确和详细的分析方法是必要的。

尤其是电子产品，建模非常具有挑战性。我们通常认为大型物体(如汽车或飞机)是最具挑战性的模拟对象。然而，简单的电脑或手机可以有成千上万的机身，尺寸范围为1000倍(100微米到100毫米)，导致高度复杂的模型，需要先进的计算能力。PCB本身就是一个很好的例子。

PCB建模技术

克服这些PCB建模挑战的第一步可能是使用Ansys夏洛克。Sherlock专门用于从任何电子计算机辅助设计(ECAD)文件中捕获和处理PCB几何形状，并可以导入所有行业标准输出文件，包括Gerber, odb++， IPC-2581和EDB。如图2所示，Sherlock可以捕获所有的迹线、平面、过孔、孔、板轮廓和堆叠。一旦PCB数据上传到Sherlock，就有几种方法来建模几何图形。

图2:PCBA顶层的Ansys Sherlock模型

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方法1:集总或有效材料特性

处理PCB复杂几何形状的最基本方法是假设“集总”或“有效”材料属性。

该方法的第一步包括计算玻璃纤维增强层合层的正交各向异性。在图1中查看构造细节时，您将看到不同层(1078、2116等)中的各种玻璃编织。不同的玻璃编织可以导致非常不同的材料和机械行为，主要是由于不同的树脂含量。弹性模量(E)和热膨胀系数(CTE)将根据层压板的结构变化超过40%。

Sherlock可以在标准配置(50%树脂/50%玻璃)的层压表中列出材料性能，并计算各种玻璃编织的正交异性性能，并反转树脂的各向同性性能。

下一步包括计算铜和树脂层的正交异性。在这种方法中，假设每层板的铜覆盖率百分比，并可以计算有效的正交异性材料性能。以板材导热系数为例，各层的有效导热系数可计算为:

在哪里k是导热系数，β_我层的分数是多少我被铜覆盖。

材料特性集中的程度可以由分析人员决定。属性可以跨所有层或逐层集中。集总方法为分析人员提供了可靠的一阶板属性估计，但可能由于空间属性变化的“抹去”而导致错误。图3显示了跨所有层和逐层计算的有效属性的示例。

图3:在Ansys Sherlock中PCB的堆叠属性。

PCB建模的有效属性方法对于第一次通过评估非常有用，例如预先布局或布局的早期版本。然而，为了最终验证，需要额外的细节。

观看“pcb建模时需要多少细节”网络研讨会以了解更多信息。

方法2:材质属性映射(轨迹映射)

在这种方法中，在板的每一层上构造一个矩形背景网格。背景网格的每个单元根据局部铜和介质的浓度计算有效的正交各向异性材料特性。这有效地形成了横跨PCB每层的材料属性图。

局部属性的计算方式与方法1类似。然而，在每个单元中只考虑板的有限部分，使材料映射能够捕捉属性的局部变化。这个材质图的一个例子Ansys机械如图4所示。然后，在确定PCB的局部材料属性时，FEA或CFD模型中的网格可以参考该底层材料图。

图4:在Ansys Mechanical中映射的PCB属性

轨迹映射的主要优点是网格的清洁度和网格密度的完全控制。无需遵循复杂的几何轨迹，垫面和面，网格几乎可以完全由一阶砖块组成。在结构力学建模中，砖块比一阶四面体元素更受欢迎，因为“测试”往往过于僵硬。首选元件尺寸在100到500微米之间，具体取决于您的应用(例如，热，机械，热机械等)。网格越精细，跟踪图就越能与实际几何图形相关联。

跟踪映射比方法1中详细介绍的有效属性方法能够更准确地表示PCB。它还可以比下面方法3中详细介绍的方法更快地执行模拟，并且使用更少的资源。

由于PCB设计的复杂性日益增加，迹线建模是预测热机械故障风险的首选方法。

方法3:详细几何(轨迹建模)

使用一种与方法1的简单性相反的方法，分析人员可以通过提取PCB布局的完整3D几何形状来选择明确地表示整个板。在这种方法中，对板内材料分布的假设较少，因为每个迹线和通孔都是详细建模的。

由于在高速电路中越来越多地使用堆叠微过孔和极小走线(宽度低至25微米)，因此在制造、验证测试和现场操作过程中，由于无法包含显式几何结构而导致故障风险的应用越来越多。

然而，整个PCB几何形状建模的挑战不能被低估。分析人员不仅被迫创建一个大型模型(每层可能超过100万个元素)，而且复杂的几何结构要么无法网格化，要么充满了不需要的元素类型和纵横比。

为了克服这些挑战，Sherlock为用户提供了一系列选择:

• 跟踪建模(上面讨论过)
• 轨迹建模区域
• 轨迹建模强化

跟踪建模区域为用户提供了在预定义区域中为每个特征创建实体几何的能力。这减少了模型的潜在尺寸，当特定组件存在热机械风险时尤其有用，例如球栅阵列(BGA)或无铅四平面封装(QFN)。这类似于局部-全局建模方法，但是跟踪建模区域在全局、低清晰度模型中创建一个局部、高清晰度模型。

图5:在Ansys Sherlock中建模为外壳和梁增强的铜PCB特征。

追踪建模增强是《神探夏洛克》的最新功能。增强材料是嵌入在3D结构元件或母元件中的2D或1D元件。钢筋中的应变由嵌入单元的位移场计算得到，这意味着钢筋与周围材料之间有很强的结合(模拟铜箔与镀铜和环氧树脂之间的结合)。

增强的好处包括布局几何，不影响树脂或层压板的网格。这为分析人员提供了类似于跟踪映射的好处，其中网格主要是一阶砖块，并且可以完全控制网格密度。

所有这些功能为下一代电子技术的电气、热、机械和可靠性建模创造了令人兴奋的机会。

下载“利用Ansys SIwave、Icepak、Mechanical和Sherlock分析PCB的电气和热可靠性”网络研讨会，了解更多信息。