优化您的PCB振动，冲击和热环境

在设计印刷电路板(pcb)时，请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，以确定电子设备如何以及为什么会出现故障，但是，PCB建模和仿真是一种更快且更具成本效益的解决方案。

当模拟与物理测试结合使用时(即，物理测试为模拟结果量身定制，只需要一两次测试)，您的电子产品的可靠性几乎可以得到保证。

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基于振动的PCB设计优化

在优化PCB振动设计时，第一步是确定PCB的固有频率范围。为了完成PCB振动测试，您将需要执行模态分析或固有频率分析，这可以使用振动模拟工具来确定Ansys夏洛克或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，其中电路板底部附近有三个高风险组件，其中安装点附近有应变和更大的组件。为了优化设计，您可以删除中心安装点并添加两个安装点，这将减轻压力并解决一个组件问题。

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

接下来，您可以向其余两个高风险组件添加胶粘剂，以提供额外的组件支持并减轻一些压力。

图3:组件U20问题通过移除中心解决
挂载点和添加两个附加挂载

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

图4:图2中的组件U33和U34是通过胶粘桩解决的

观看“冲击、振动和热载荷的PCBA设计的网络研讨会来了解更多。

基于冲击的PCB设计优化

图6:激波脉冲频率与谐振频率的关系式

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

避震器(主要用于大型电子组件)

外部缓冲(手机外壳，保险杠)

质量弹射(电池弹射出来)

• 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

请与我们的可靠性专家联系，了解有关故障分析的更多信息。

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。

但是，局部事件也可能导致失败。例如，在汽车电子产品中，PCB经常被过度约束在铝外壳中。PCB的冷侧会收缩，或热侧会膨胀，或两者都有，导致电路板屈曲。

为了分析这样的局部事件，您通常希望运行应变与应变比较，这是对没有壳体的板的分析，以及对壳体内板的另一种分析。这将有助于确定由于底盘/外壳引起的铅应变的增加。

PCB热分析实例

下面的例子显示了一个没有机箱的板的分析。你可以看到张力在bga上。

图7:PCB在Ansys Sherlock中的热力学分析(不含外壳)

我们对板子的外壳进行了分析，你可以看到拉力增加了一倍。

图8:Ansys Sherlock中PCB的热力学分析(带外壳)

表1:Ansys Sherlock中图9的焊接疲劳可靠性预测
有5个风险组件

在上面的表1中，您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。为了降低这些风险，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。
• 移动安装点以减轻电路板和组件上的压力。
• 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，并对产品的可靠性和寿命提供有价值的见解。