跳到主要内容

ANSYS的博客

2021年1月25日

优化您的PCB振动,冲击和热环境

在设计印刷电路板(pcb)时,要记住电子故障的主要原因:热循环、振动和机械冲击和跌落。您可以执行各种物理测试来确定电子设备故障的方式和原因,但是,更快且更具成本效益的解决方案是PCB建模和仿真。

印刷电路板


当模拟与物理测试结合使用时(即,当物理测试针对模拟结果进行调整并且只需要一两个测试时),您的电子产品的可靠性几乎可以保证。

申请使用Ansys工具进行电子可靠性演示


振动PCB设计优化

优化PCB振动设计时,第一步是确定PCB的固有频率范围。要完成PCB振动测试,您需要执行模态分析或固有频率分析,可以使用以下振动仿真工具确定Ansys夏洛克Ansys机械

振动分析实例

在下面的示例中,您将看到PCB振动分析,其中在电路板底部附近有三个高风险组件,在安装点和较大组件附近有应变。为了优化设计,您可以移除中心安装点并增加两个安装座,这将缓解压力并解决组件问题之一。

基于Ansys Sherlock的PCB板振动分析。

图2:Ansys Sherlock中的PCB振动分析。
高危组件有3个(U20, U33, U34)

接下来,您可以在剩余的两个高风险组件上添加粘合剂桩,以提供额外的组件支持并减轻一些压力。

组件U20问题通过移除中心挂载点并增加两个附加挂载来解决

图3:通过移除中心来解决组件U20问题
安装点和添加两个额外的坐骑

您还可以考虑将较大的组件从高应变区域(如安装点,大型部件之间或附近的区域,或V-score分离附近)移开,并将应变敏感组件(如bga,陶瓷电容器和qfn)远离高应变区域。这将确保您的PCB设计针对随机和谐波振动进行了优化。

部件U33和U34采用胶粘剂粘合解决

图4:图2中的部件U33和U34采用胶粘桩解决

看“冲击,振动和热负载的PCBA设计,以了解更多信息。


冲击PCB设计优化

当有一个突然的、不规则的加速度引起机械位移时,就会发生机械冲击。更具体地说,它在小于20毫秒的时间内发生,加速度至少为10 G,发生次数少于10万次。

在设计PCB防震时,一个很好的经验法则是,电路板的谐振频率应至少比冲击脉冲频率高3倍。

例如:10ms脉冲

  • 50赫兹脉冲频率
  • 单板应该是> 150hz
机械冲击加速度随时间变化的曲线图

图5:机械
随时间变化的冲击加速度

冲击脉冲频率与共振频率方程

图6:冲击脉冲频率与谐振频率方程

为了减轻机械冲击和跌落造成的PCB故障风险,您可以使用许多策略,包括:

  • 激励减少

减震器(主要用于大型电子组件)

外部缓冲(手机壳、保险杠)

弹出质量(电池弹出)

  • 组件级别

组件选择

陶瓷电容器上的柔性端子

含铅的部分

成键

填充不足/封边/铆合

  • PCB设计

PCB厚度

挂载点位置

与我们的可靠性专家交谈,了解更多有关故障分析的信息。

热环境下PCB设计优化

温度循环是电子故障最常见的原因。它通常是由PCB组件和电路板之间的热膨胀系数(CTE)不匹配引起的。元件与电路板之间的CTE不匹配越大,焊点失效的可能性就越大。

下载《热管理解决方案:多热才算太热》白皮书了解更多信息。

然而,故障也可能是由局部事件引起的。例如,在汽车电子中,PCB在铝制外壳内经常受到过度约束。PCB板的冷侧会收缩,或热侧会膨胀,或两者兼而有之,导致板屈曲。

为了分析像这样的局部事件,您通常需要运行应变与应变比较,这是对没有外壳的电路板的分析和对外壳内的电路板的另一种分析。这将有助于确定由于底盘/外壳导致的引线应变的增加。

PCB热分析示例

下面的示例显示了对没有机箱的电路板的分析。你可以看到压力在bga上。

基于Ansys Sherlock的PCB热力学分析

图7:Ansys Sherlock中PCB的热力学分析(不带外壳)

我们对板子的外壳进行了分析,你可以看到压力增加了一倍。

Ansys Sherlock中带壳PCB板的热力学分析

图8:PCB在Ansys Sherlock中的热力学分析(含外壳)

表1:图9在Ansys Sherlock中的焊料疲劳可靠性预测
有5个危险成分

在上面的表1中,可以看到焊接疲劳夏洛克提供的可靠性预测。将单板安装在机箱中会增加单板故障的风险。为了减轻这些风险,您需要考虑不同的底盘材料,不同的PCB安装点,粘合剂桩或其他组件位置。

正如这里分享的三个例子所示,在设计振动,冲击和热环境下的电路板时,您可以做出的最重要的设计决策是:

  • 确保应变敏感部件从高应变区域移除。
  • 移动您的安装点,以减轻对板和组件的压力。
  • 仔细选择材料。

模拟这些环境因素将减少测试迭代和设计时间,并为您的产品的可靠性和使用寿命提供有价值的见解。

快速和准确的电子硬件寿命预测与Ansys Sherlock

Ansys

英文怎么说

* = 必須項目

啊哈,啊哈,啊哈,啊哈,啊哈,啊哈,啊哈,啊哈,啊哈。

我们在这里回答您的问题,并期待与您交谈。我们Ansys销售团队的一名成员将很快与您联系。

フッター画的像