電路板熱分析的案例
印刷電路板的熱結構分析
前言
印刷電路板通常由 多層層壓材料和 起加強結構強度的樹脂材料粘合而成，類似于層合板結構， 層間鋪設金屬線路，以及有垂直穿過這些層的 金屬通孔，作為電路板外接口。
這樣一個印刷電路板熱結構分析問題，傳統的方法是對這些層合板（實體單元）、導電線路（殼單元）、外接金屬通孔（殼單元）進行 一 一建模，這其中涉及到復雜的耦合和接觸問題，而且電路板中包含大量 導電線路、
外接
金
屬
通
孔，如下圖示，這樣的建模分析方法費力耗時。
本文基于 獨立網格增強單元技術( Mesh-independent reinforcing element technology)，并通過使用mesh200單元無縫的創建了印刷電路板中的鋪設線路&導電通孔，這其中不涉及復雜的接觸和耦合的復雜性。因此 ，獨立網格增強單元技術為含這種內嵌入的結構的模型建立和網格劃分提供了一個很好的選擇。
在芷行說公眾號中的《汽車充氣輪胎的路面滾動模擬》一文中也利用了增強單元技術來建立輪胎內部的起結構加強的鋼絲。
為了讀者更容易理解獨立網格增強單元技術，芷行會在下期文章中進行詳細的講解和案例分析，敬請期待。
這樣的一個印刷電路板的熱結構分析包含：1.由電子器件產熱流在結構中傳遞；2.由于熱不均勻性導致的電路板結構變形。因此主要分析有：
求解由熱邊界條件引起的熱分析
解決溫度負載引起的結構分析
關鍵仿真模擬技術特征：
獨立網格增強單元技術
含嵌入式增強單元模型的建立（如電路板中的銅線結構、輪胎中的鋼絲結構）
計算結果
計算結果最重要的是溫度分布結果，如下。
展開 穩態熱分析-電路板
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案例59-印刷電路板的熱結構分析
該示例問題演示了如何使用獨立于網格的增強單元來執行印刷電路板（PCB）的熱結構分析。
重點介紹了以下特性和功能：
• 使用離散和涂抹的加固單元進行建模。
• 熱分析后進行下游結構分析。
介紹
印刷電路板（PCB）在電子設備和其他相關應用中無處不在。一般來說，PCB是由多層層壓材料和多層樹脂粘合而成的。這些層嵌入有導電金屬部件和垂直穿過這些層的金屬通孔。
在有限元分析（FEA）中，將PCB中的主體和跡線建模為單元通常使用具有耦合或接觸的實體、殼和梁單元。然而，由于PCB的每個樹脂層中所涉及的嵌入體數量巨大，該方法通常是困難和耗時的
網格獨立增強單元技術通過使用MESH200單元定義嵌入區域的拓撲并無縫創建嵌入增強單元，為PCB建模和網格化提供了更好的選擇。不涉及復雜的接觸建模、耦合或困難的網格劃分技術。
問題描述：
分析分為兩部分：
步驟1. 求解熱邊界條件引起的熱分析。
步驟2. 解決熱載荷引起的下游結構分析。
由于運行載荷而在一些嵌入式金屬跡線上產生的熱量會導致整個PCB的溫度梯度。梯度會導致PCB在操作期間變形，并引起熱應力和應變。
建模
用于穩態熱分析的模型使用ANSYS Mechanical創建，生成初始網格的單元：
• 表示小銅通孔的線體用LINK33劃分網格。
• 代表樹脂中嵌入銅和較大通孔的其他表面體用SHELL131劃分。
• 使用SOLID70對層壓板和樹脂實體進行網格化。SOLID70單元進行了修改（EMODIF），以創建SOLID278單元，以支持增強單元的生成。
每個固體層壓板和樹脂體在內表面處彼此默認接合接觸，從而形成六個接合接觸對。
展開 電路板芯片的穩態與瞬態熱分析 ￥20
1 問題描述
下圖所示的電路板：包括三個在正常運行過程中產生熱量的芯片。只要在板上通上電源，一個芯片就能保持通電狀態，另外兩個芯片在不同的時間內，會周期性地激活和斷開能量。利用穩態熱分析和瞬態熱分析方法研究這些芯片所產生的熱量。
2 分析過程
2.1創建分析系統
建立一個與穩態分析相關聯的瞬態熱分析。啟動ANSYS Workbench，從工具箱中，將一個穩態熱系統分析拖到項目示意圖上。隨后將瞬態熱系統分析拖動到穩態熱系統分析處，使單元格2、3、4和6以紅色突出顯示。
釋放鼠標按鈕，完成穩態分析與瞬態分析的關聯。
2.2 導入幾何模型
在穩態熱分析示意圖中，右擊幾何Geometry，選擇Import Geometry。
2.3 網格劃分
設置特定的網格方法控制和網格大小來控制和確保良好的網格質量。
2.3.1 網格方法：
a．在目錄樹右擊Mesh選擇Insert> Method
b．在工具欄選中Edit> Select All來選擇全部實體
c．在明細欄，把Method設置成Hex Dominant,Free Face Mesh TypeAll Quad.
2.3.2 元件的網格劃分：
a．在目錄樹右擊Mesh選擇Insert> Sizing
b．首先用Body selection工具欄按鈕，然后按住Ctrl按鈕，單擊15個單獨的Body，選擇除board之外的所有Body。完成選擇主體后，單擊Details視圖中的Apply按鈕。
展開 
Workbench案例3-PCB電路板芯片熱分析
簡介
下圖所示的電路板包括三個在正常運行時會產生熱量的芯片。其中一只芯片要電路板通電，芯片就會保持通電，另外兩個芯片通電和斷電是周期性地，在不同的時間以及有不同的持續時間。穩態熱分析和瞬態熱分析用于研究由這些芯片產生的熱量引起的溫度變化。
操作步驟
創建穩態熱分析項目：Steady-State-Thermal；
在穩態分析項目之后，創建一個瞬態熱分析項目，并于穩態熱分析項目連接；連接方式如圖所示：
導入幾何模型：導入PCB板的幾何模型X_T格式；切換單位制為：Metric（m,kg,N,s,V,A）
網格劃分：設置網格劃分方式為Multi Zone；
設置Sizing：選擇初PCB板之外的其他15個元件，設置網格尺寸為：0.0009m；
設置Sizing：選擇PCB板，設置單元尺寸大小為：0.002m；如圖所示：
設置邊界條件：
設置發熱芯片的發熱量：Internal heat generation 大小為：5e7W/m3；芯片位置如圖所示：
設置熱傳導Convection：選擇所有的幾何模型；在Film Coefficient欄右鍵，選擇Import Temperature Dependent，如圖所示：
選擇Stagnant Air-Simplified Case；如圖所示：
5.求解&查看結果：查看穩態分析結果的PCB板及元件溫度場如圖所示：
現在已完成穩態熱分析，這是總體目標的第一部分；對于本案例，將在其余步驟中執行瞬態熱分析。
準備瞬態熱分析時需要注意的事項：
? 如果突出顯示瞬態熱對象下的初始溫度對象，會注意到在詳細信息視圖中，只讀顯示初始溫度和初始溫度環境。
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熱設計的重要性以及PCB電路板散熱設計技巧
不要將發熱較高的器件放置在印制板的角落和四周邊緣，除非在它的附近安排有散熱裝置。在設計功率電阻時盡可能選擇大一些的器件，且在調整印制板布局時使之有足夠的散熱空間。
10 射頻功放或者LED PCB采用金屬底座基板。
11避免PCB上熱點的集中，盡可能地將功率均勻地分布在PCB板上，保持PCB表面溫度性能的均勻和一致。往往設計過程中要達到嚴格的均勻分布是較為困難的，但一定要避免功率密度太高的區域，以免出現過熱點影響整個電路的正常工作。如果有條件的話，進行印制電路的熱效能分析是很有必要的，如現在一些專業PCB設計軟件中增加的熱效能指標分析軟件模塊，就可以幫助設計人員優化電路設計。
四、總結
3.1 選材
（1）印制板的導線由于通過電流而引起的溫升加上規定的環境溫度應不超過 125 ℃（常用的典型值。根據選用的板材可能不同）。由于元件安裝在印制板上也發出一部分熱量，影響工作溫度，選擇材料和印制板設計時應考慮到這些因素，熱點溫度應不超過 125 ℃。盡可能選擇更厚一點的覆銅箔。
（2）特殊情況下可選擇鋁基、陶瓷基等熱阻小的板材。
（3）采用多層板結構有助于 PCB 熱設計。
3.2保證散熱通道暢通
（1）充分利用元器件排布、銅皮、開窗及散熱孔等技術建立合理有效的低熱阻通道,保證熱量順利導出 PCB。
（2）散熱通孔的設置 設計一些散熱通孔和盲孔，可以有效地提高散熱面積和減少熱阻，提高電路板的功率密度。如在 LCCC 器件的焊盤上設立導通孔。在電路生產過程中焊錫將其填充，使導熱能力提高，電路工作時產生的熱量能通過通孔或盲孔迅速地傳至金屬散熱層或背面設置的銅泊散發掉。
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Ansys 案例研究 | 電路板的模態分析
案例描述
在電子產品的振動與可靠性設計中，PCB 的模態分析至關重要。它用于確定電路板的固有頻率和振型，從而預測其在動態載荷下是否會發生共振，導致焊點失效、元件開裂或信號異常。本次將使用一塊電路板的模型來演示電路板的自然頻率/模態的提取過程，通過這一標準流程，可以明確識別出板上的脆弱區域，并為優化布局、增加剛度或規避外部激勵頻率提供定量的工程依據。
分析目標
本案例旨在通過規范的有限元分析流程，對一塊航空電子設備電路盒進行模態仿真，達成以下具體工程目標：
獲取動態特性參數：精確提取該 PCB 在既定約束條件下的前6階固有頻率（Natural Frequencies）及其對應的振型（Mode Shapes）。
識別共振風險：通過模態結果，明確 PCB 的敏感頻率區間，為評估其與外部環境振動（如風扇、發動機激勵）發生共振的可能性提供直接依據。
定位機械薄弱點：可視化分析各階振型，識別在振動中位移最大或應變能集中的區域（通常為大型器件、板邊或懸空部位），這些位置是潛在的焊點疲勞與元件損壞風險點。
建立優化基準：為后續的設計改進（如增加支撐、改變固定點、調整布局）提供可量化的對比基準，目標是提升 PCB 的首階固有頻率，避開關鍵激勵頻帶。
分析步驟
1.打開 Ansys Workbench, 創建一個 "模態分析"系統
2.定義材料屬性，包括碳化硅、PVC 等
3.導入航空電子設備電路盒的幾何圖形，如下圖所示
帶有航空電子設備外殼的電子電路板
4.將材料分配到幾何體上（默認材質為結構鋼）。
展開 電路板電壓不穩原因分析
電路板電壓不穩原因分析
導致電路板故障的原因中，有一個重要因素就是供給電路板的工作電壓不穩定而導致的。
哪些情況會出現電壓不穩？從事設備維護的人員可以根據剖析的原因制定相關的措施，從而可以避免或減少由電壓不穩導致的電路板故障。
電壓不穩的因素一般來說由以下幾種情況，電網供電電壓不穩定因素，這種情況是輸電網的輸電線路過長，在傳輸過程中損耗較大，而電網中的補償電容器容量減小，沒有及時更換的情況下，就會出現電壓時高時低、電壓波動的情況出現。對于這種情況，只需要更換好的補償電容器，就可以解決了。
大型用電器沒采用專用的變壓器，且未采取相應的措施造成電壓不穩定的因素。
如果在輸電線路上，大型重負載的用電器（例如大型電機、起重設備等）過多，在沒有加裝降壓啟動保護的狀況下，頻繁啟動，剛啟動時由于啟動電流大，會將電網的電壓瞬間拉低，啟動正常后電壓又會回升原先的電壓值，從而造成電壓時高時低的情況。
對于這種情況，就要給用電器加上降壓啟動裝置（通常是增加軟啟動器或變頻器），使其啟動時不會將電網電壓拉低就可以將此問題解決了。
在輸入電源電路中防干擾保護電路做的不完善，干擾脈沖混進輸入電源電路中，出現電壓不穩定的情況。
這種情況一般是設計時設計人員為了降低成本或考慮不周詳，防干擾電路做的不好，使得一些干擾源伴隨著輸入電源輸進電路板https://www.misumi.com.cn/seojingtai/dianluban.html
使供給電路板的電壓時高時低，導致電路板故障。此種情況，只要在輸入電路中加入抗干擾電路元件，即可避免由于干擾而引起的電壓時高時低的情況。
瀏覽米思米官網https://www.misumi.com.cn/ 學習更多電工知識
展開 電路板焊點失效分析技術與案例
焊點的失效一方面來源于生產裝配中的焊接故障,如釬料橋連、虛焊、曼哈頓現象等;另一方面是在服役條件下,當環境溫度變化時,由于元器件與基板材料存在的熱膨脹系數差,在焊點內產生熱應力,應力的周期性變化會造成焊點的疲勞損傷,同時相對于服役環境的溫度,SnPb釬料的熔點較低,隨著時間的延續,產生明顯的粘性行為,導致焊點的變損傷。
ANSYS workbench 電路板跌落顯示動力學分析 ￥10
本案例適合哪些人學習：
1、學習型仿真工程師
2、理工科院校學生
3、對有限元分析感興趣的工程師
你會得到什么：
1、學習電路板的三維模型處理
2、學習電路板跌落非線性接觸相關的接觸設置
3、學習電路板跌落顯示動力學分析步的建立
4、學習電路板跌落顯示動力學分析的載荷施加
案例介紹：
所使用軟件為ANSYS workbench2020r2.
案例介紹了ANSYS workbench 電路板跌落顯示動力學分析。
本案例完整得提供了分析相關所有分析文件。
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展開 案例20-基于模態分析法的印刷電路板組件動態仿真
每個PCB由一塊電路板組成，電路板頂部有IC封裝。該板為0.20m×0.28m矩形表面體，厚度為1mm。IC封裝為三維結構，每個厚度為5 mm。電路板采用SHELL181建模，適合分析薄到中等厚度的外殼結構。IC封裝采用SOLID186建模，這是一個三維20節點實體單元，表現出二次位移行為。疊層結構由五根垂直柱連接在一起。這些是厚梁結構（長度/直徑≈10），它們使用BEAM188建模。
BEAM188使用Timoshenko梁理論，該理論包括剪切變形效應，是分析中等短梁結構的最精確的梁單元之一。使用主要使用六面體網格對電路板和實體劃分網格，從而使每個PCB具有14600個節點。電路板和IC封裝均由聚乙烯材料制成。支柱由鋁合金制成。模型的節點總數為44097，包含26046個單元。
接觸建模
粘接和柔性面-面接觸對用于定義IC封裝和電路板之間的接觸。接觸和目標表面用于將IC封裝連接到電路板。接觸表面用CONTA174單元建模，目標表面用TARGE170單元建模。面-面接觸單元與節點-節點單元相比具有以下優點：
• 支持接觸面和目標面上的低階和高階單元。（SHELL181是線性單元，而SOLID186是二次單元）
• 對目標面的形狀沒有限制。表面不連續性可能是由制造缺陷或網格離散造成的。
如下圖所示，每個電路板有15個觸點對。
材料屬性
支撐柱、板和IC封裝的材料特性如下：
邊界條件和加載
PCB組件的板與五個支撐柱連接。柱的底部（y=-60）在所有自由度上都受到約束，如下圖所示：
以下示例輸入顯示了如何應用固定約束：
上述輸入中的N_BASE_EXCITE指定了支撐柱與底座連接處的節點。
展開 基于ANSYS workbench-Explicit Dynamics模塊電路板跌落顯示動力學分析簡例
基于ANSYS workbench-Explicit Dynamics模塊電路板跌落顯示動力學分析簡例
本實例為顯示動力學分析簡化實例，與實際工程項目相差甚遠，請不要直接用于工程應用以及論文撰寫，僅僅以此方法介紹ANSYS workbench-Explicit Dynamics的一個跌落分析的應用。
轉載請注明出處以及作者：CAE夢想很偉大
本實例為某簡易電路板結構，現在對其進行跌落分析。對焊點和接觸建立失效準則，模擬跌落過程中焊點和接觸失效。
1.分析模塊定義：
2.材料屬性定義：
選擇【Explicit Materials】材料庫中的CONC-35MPA；選擇【General Non-linear Materials】材料庫中的Aluminum Alloy NL；創建自定義材料PCB，材料屬性設置項如圖所示。
3.創建幾何：
4.建立綁定接觸對、焊點以及Body Interactions：
其中綁定接觸和焊點需要建立正應力和剪切應力極限用于失效分析。
5.求解設置：
分析時間0.005s
設置初始速度-5m/s
地面剛性全約束
6.結果后處理
可以看出PowerConnector20以及powerdiss.123都已經脫離PCB，焊點以及接觸均已失效，本例結束。
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本期研討會：《封裝基板/功率電路板雙向電熱耦合分析（R3新功能）》將于11月5日 20:00-21:00舉辦。
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日期/時間
2019年11月5日 下周二
20:00 – 21:00
課程受眾
電子產品散熱設計的企業, 尤其是涉及封裝基板和PCB板
講師簡介
柴輝生
ANSYS Icepak 高級應用工程師
2018年底加入ANSYS公司, 具有多年的電子產品熱仿真和熱設計工作經歷, 涉及的產品包括逆變器, APF, SVF, 電機控制器, 鋰電池包, 雷達, HUD (汽車抬頭顯示器), 電源模塊, 通信機箱, 交換機等.
課程簡介
作為新一代的電子散熱仿真工具, AEDT-Icepak更加偏重于電和熱的耦合, 也更加適合于電工程師的操作習慣, 產品一經推出, 便得到了廣大電/熱工程師的歡迎. AEDT-Icepak 2019R1增加了與HFSS, Q3D和Maxwell的雙向電熱耦合仿真功能, 最新版的2019R3又增加了與3D Layout的雙向電熱耦合. 同時, AEDT-Icepak 2019R3 還增加了順態熱仿真功能[Beta], 多頻段的EM Loss耦合功能(HFSS, Maxwell), EM Loss可視化, 及純導熱熱仿真情況下的網格增強功能等。新版本亮點多多，值得期待。
本直播將以講解結合實際操作的方式，介紹AEDT-Icepak 2019R3的主要新功能, 并以實際操作的形式演示PCB板的電熱雙向耦合。
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