概述

PCB 組件在工作時(shí)產(chǎn)生的熱量會(huì)直接影響其電性能與長(zhǎng)期可靠性。過(guò)高的溫度或頻繁的溫度波動(dòng)會(huì)引發(fā)材料老化、信號(hào)失真，并因材料間熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生熱應(yīng)力，最終導(dǎo)致焊點(diǎn)開裂、器件失效等故障。因此，評(píng)估 PCB 可靠性必須進(jìn)行瞬態(tài)熱力耦合分析，即先分析動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)，再計(jì)算由此產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

目標(biāo)

通過(guò)高保真建模仿真，系統(tǒng)觀察并量化印刷電路板（PCB）上關(guān)鍵元器件在瞬態(tài)熱載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)與應(yīng)力表現(xiàn)。

方法闡述

本研究采用瞬態(tài)熱-力順序耦合仿真方法。首先，基于元件的真實(shí)功耗曲線與環(huán)境邊界條件，進(jìn)行高精度瞬態(tài)熱分析，獲取從啟動(dòng)、負(fù)載變動(dòng)到穩(wěn)態(tài)的全過(guò)程溫度場(chǎng)時(shí)序數(shù)據(jù)。隨后，將該瞬態(tài)溫度場(chǎng)作為體載荷映射至結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)有限元分析求解其引發(fā)的熱應(yīng)力與應(yīng)變場(chǎng)。

仿真步驟

1.打開 ANSYS Workbench，創(chuàng)建“瞬態(tài)熱力學(xué)系統(tǒng)（Transient Thermal System）”。 

2.關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)分析，將“瞬態(tài)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（Transient Structural System）”拖拽至瞬態(tài)熱力學(xué)系統(tǒng)的求解（Solution）單元格上，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)分析系統(tǒng)間四個(gè)單元的共享。

3.定義部件的材料屬性，此處示例使用的是鋼，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)需根據(jù)真實(shí)材料設(shè)置參數(shù)。

4.導(dǎo)入模型，其效果如圖所示。

5.分配材料至幾何體。

6.在模型上施加相關(guān)的熱邊界條件，如圖 2 所示。

7.求解該模型，然后將本次分析結(jié)束時(shí)刻或每個(gè)時(shí)間步的溫度作為初始體溫度輸入到瞬態(tài)結(jié)構(gòu)分析中（如圖 3 所示）。用戶可以從瞬態(tài)熱分析的溫度圖表中復(fù)制并粘貼源時(shí)間（Source Time）和分析時(shí)間（Analysis Time）的數(shù)據(jù)。

8.在 PCB 板孔位處添加固定支撐。

9.對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分并運(yùn)行瞬態(tài)結(jié)構(gòu)仿真，輸出應(yīng)力結(jié)果云圖，該圖顯示了應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況。

總結(jié)

本次分析成功執(zhí)行了 PCB 組件的瞬態(tài)熱-順序耦合仿真。通過(guò)將瞬態(tài)熱分析得到的溫度時(shí)程作為載荷，輸入至瞬態(tài)結(jié)構(gòu)分析中，直接觀察并獲得了關(guān)鍵元器件的熱應(yīng)力隨時(shí)間變化的響應(yīng)。

仿真結(jié)果直觀展示了在功率加載或環(huán)境變化的瞬態(tài)過(guò)程中，熱應(yīng)力如何隨溫度場(chǎng)同步演變，清晰地揭示了應(yīng)力集中區(qū)域的動(dòng)態(tài)形成過(guò)程與峰值時(shí)刻。這為評(píng)估元件在真實(shí)波動(dòng)工況下的瞬態(tài)力學(xué)負(fù)載與潛在風(fēng)險(xiǎn)提供了直接的依據(jù)。

本次分析有效完成了從動(dòng)態(tài)熱輸入到動(dòng)態(tài)應(yīng)力輸出的因果鏈路驗(yàn)證，為后續(xù)的簡(jiǎn)易可靠性評(píng)估與設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了核心的觀測(cè)數(shù)據(jù)。