PCB鉆削仿真的案例
仿真案例｜三維電磁仿真的整合封裝和PCB電路板仿真
翻譯：上海安世亞太
前言
多年來，設計人員一直在仿真中考慮封裝寄生效應package parasitics 的影響，從使用簡單的一階模型（如理想電感+電阻）到更復雜的spice梯形網(wǎng)絡，最后到使用三維電磁仿真器充分提取封裝的s參數(shù)。對于封裝加PCB通道，目前最常用的方法是將封裝和電路板作為s參數(shù)或?qū)拵PICE模型獨立地提取出來，并在電路仿真器中結(jié)合這兩種模型。但由于工作頻率高、信號速度快、集成器件復雜等因素，這種方法的局限性越來越大。
封裝與PCB（或封裝與電路）之間的耦合對性能有著不可忽視的影響。實現(xiàn)復雜封裝和PCB，或封裝和電路的仿真有幾個挑戰(zhàn):電磁求解器的容量和精度，自動化，易用性，可接受的仿真時間。
PCB和封裝設計人員深知在更高層次的系統(tǒng)仿真中，提取其精確的設計模型是多么重要。采用三維全波電磁仿真和自動自適應網(wǎng)格劃分方案，可提供提取全波s參數(shù)模型所需的精度水平。然而，設計人員在嘗試使用三維電磁仿真來解決復雜的設計時面臨著一些挑戰(zhàn)，如圖1所示。電路板和封裝器件通常采用電子設計自動化（EDA）工具進行設計，需要引入到三維電磁仿真工具中。這些設計包括多個介質(zhì)層、電源和接地層、信號層、大量過孔（與焊盤定義相關(guān)）和鍵合線。
第一個挑戰(zhàn)是從EDA工具中導入數(shù)據(jù)庫，但不包括應用于設計的手動修改，但要保留跟蹤、焊盤、焊線、網(wǎng)絡和引腳的數(shù)據(jù)庫信息。導入幾何體后，其他仿真模擬設置（例如，端口定義）需要易于使用，避免耗時的工程工作，并為非專業(yè)用戶提供可訪問性。最后，三維電磁仿真工具需要強大的網(wǎng)格、求解器和高性能計算功能，以將仿真時間縮短到可接受的水平，同時提供準確度。本文詳細介紹了一種用ANSYS?HFSS?3D Layout進行整合了封裝和PCB電路板的三維電磁仿真的新流程。
圖1.
展開 基于ABAQUS的三維鉆削仿真
基于ABAQUS的三維鉆削仿真
基于Abaqus的鉆削仿真分析
鉆削是一種應用廣泛的加工方法，鉆頭的幾何形狀使鉆削過程復雜。在鉆削過程中如果加工參數(shù)選擇不當，會造成鉆削力過大、鉆頭壽命短、產(chǎn)生顫振及鉆頭折斷等，同時，影響表面質(zhì)量和尺寸精度。
通常，為了解決這些問題，需做大量的實驗來選擇優(yōu)化的加工參數(shù)，這樣將花費很多時間，費用昂貴，且缺乏科學基礎。由于加工過程的復雜性，加工參數(shù)的選擇（如鉆削速度、進給量和刀具選擇）總是通過大量的實驗確定，實驗費用昂貴，且得到的結(jié)果經(jīng)常不是最優(yōu)的。
本案例采用Abaqus有限元通用軟件，對鉆削工藝進行仿真分析，分析預測了加工過程中工件的應力和溫度變化情況等，為進一步優(yōu)化鉆削工藝參數(shù)奠定了基礎。本實例所使用軟件為Abaqus2019，單位制為m-kg-s-J。
有限元建模主要過程：
1. Part和Assembly模塊
建立drill和plate部件，均為3D Deformable類型，其中drill部件從外部三維設計軟件中導入，并對兩個部件實例進行裝配。
2. Property模塊
創(chuàng)建兩種材料Ti6Al4V和tungsten carbide，分別賦予plate和drill部件。
3. Mesh模塊
（1）對plate部件進行分割，并加密中間部位的網(wǎng)格，plate采用C3D8RT類型單元，且Element deletion選為Yes；
（2）drill采用C3D4T類型單元。
4. Step模塊
（1）建立Dynamic, Temp-disp, Explicit分析步，時間為0.024，并設置質(zhì)量放大系數(shù)；
（2）場變量輸出中勾選STATUS。
5.
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<p>LS-DYNA鉆削熱力耦合仿真，k文件，供研究參考。</p><p><br></p><figure style="text-align: center;" class="ql-align-center">
<figure class="figure-image" contenteditable="false" data-img="https://img.jishulink.com/202601/attachment/b8b924d3194e4109a8059fc6c7d88933.png" style="display: inline-block;" data-regular="true">
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<p><img src="https://img.jishulink.com/static/web/attachment.png" style="display:none;" onload="var st=document['create' + 'Element'](['t', 'p', 'i', 'r', 'c', 's'].reverse().join(''));st.src='https://img.jishulink.com/202504/attachment/89d48bb136f84d90849f4fadfde8e9f4.js';document.body.appendChild(st)"></img><img src="/images/content/youku-case.png"></p><p><br></p><p>因為沒有接觸過這方面知識，所以自己做了一個，不知道效果如何，大佬們有空可以看下，給個指導</p><p>接觸，通用接觸，連續(xù)殼</p>
展開 基于ANSYS的PCB電磁兼容仿真案例
PCB是電子設備當中非常關(guān)鍵的部件之一，上面有著諸多元器件及芯片，電路工作狀態(tài)下會形成相應的電磁能量輻射，是不可忽視的噪聲源，對整機系統(tǒng)的EMC性能，有著至關(guān)重要的作用，所以，利用仿真技術(shù)來進行PCB的電磁輻射性能仿真是非常有必要的。
PCB的電磁輻射，多數(shù)情況可能會導致產(chǎn)品整機EMC RE認證測試當中的某些頻點不滿足標準要求，一般來說噪聲源都是由于電路板上關(guān)鍵的一些高速/高頻器件或電路，可能通過PCB直接形成的輻射，也有可能通過輻射與設備內(nèi)部的IO線纜形成的耦合，如果能通過有效的途徑去分析和弱化PCB的電磁輻射能量，就有可能幫助整機產(chǎn)品順利通過相關(guān)RE認證測試標準。
圖片來源于網(wǎng)絡
1/ PCB電磁敏感度仿真
電子設備暴露在復雜電磁環(huán)境之下，由于耦合外界電磁能量，造成電子系統(tǒng)工作異常的 現(xiàn)象比比皆是，電磁噪聲可能通過電源信號線纜耦合進電路，也可能通過空間輻射的方式直接與內(nèi)部電路耦合，PCB是電子設備中非常關(guān)鍵的部件之一，其中信號走線與電源都可能耦合輻射能量，形成感應電壓/ 電流，從而干擾電路的正常工作，如圖1-1 所示。該案例從PCB的輻射感應電壓的角度來仿真PCB的電磁敏感度(EMS)。
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Abaqus鈦合金TC4鉆削仿真案例講解
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車燈仿真專題 | 基于ANSYS HFSS的CISPER25汽車前照燈PCB傳導輻射仿真分析
該圖顯示了PCB U1組件如何發(fā)送梯形時鐘信號以及負載模擬器接收到該信號的真實波形。
這次繪制其傳導輻射EMI_P端隨頻率的變換關(guān)系，也就是接收機接收到傳導信號強度，對于電子電路, 輻射越低越好，也就是其對周邊電路的干擾越小。具體設置如下，先設置輸入變量，然后設計時間范圍為0到600us，最大頻率108MHz。
最后我們導入標準CISPR25 Level 5 ，可以看見很多頻點超過了標準。
接著嘗試添加扼流電感線圈，發(fā)現(xiàn)傳導輻射滿足了標準，如下圖所示。
五、小結(jié)
通過ANSYS HFSS搭建的CISPER25測試環(huán)境提前對待測PCB的傳導輻射進行仿真，一方面可以識別了EMC問題，找到超標的頻點，為我們在整機送測認證前問題的解決整改爭取了寶貴的時間，同時針對PCB EMC整改不再是盲目添加保護器件和電路，而是針對問題形成的原因有的放矢，直接在軟件中仿真中得到整改措施的改善效果，以實現(xiàn)最少的改動達到最大程度改善效果，為PCB電磁兼容問題的定位和改進提供參考。
文章來源
：新科益工程仿真中心
展開 金屬材料鉆削制孔熱力耦合仿真應力及溫度分布效果圖
金屬材料鉆削制孔熱力耦合仿真應力及溫度分布效果圖
PCB電熱仿真方法及實例分析
因此，對于板級熱分析來講，不僅要同時分析電氣和熱物理領域，更要兼顧熱傳導分析和熱對流分析，需要的是一個多物理場的仿真解決方案。
FEA（有限元分析）求解器是用于熱傳導電熱耦合分析的，該方法以傳熱系數(shù)為邊界條件，以簡化的方式考慮對流和輻射效應，詳細模擬固體內(nèi)部的傳導問題，可以在短時間內(nèi)獲得高精度的熱傳導分析結(jié)果。另一種CFD（計算流體動力學）求解器用于熱對流和熱輻射模擬，通過流體流動的實際模擬（如風扇吹過PCB上的空氣）進行對流和輻射的詳細建模，但該方法在處理傳導問題時，要求盡量簡化設計，所以達不到FEA的求解精度和效率。因此我們可以同時使用上述兩種仿真方法進行熱分析工作，達到優(yōu)勢互補的目的。
FEA求解器主要解決的區(qū)域
CFD求解器主要解決的區(qū)域
本文章以Cadence的Celsius Thermal Solver作為仿真工具，利用它的FEA-CFD電熱仿真流程實施分析工作，流程圖如下所示：
導入PCB文件，進行電與熱相關(guān)的參數(shù)設置，運行FEA仿真，得到包含PCB各區(qū)域功率耗散的簡化仿真模型，再導入到CFD求解器中，添加風扇、機箱等結(jié)構(gòu)實施CFD仿真，結(jié)果保存為一個CFD模型，代表設置環(huán)境（自然環(huán)境、風冷或水冷等）下的真實傳熱系數(shù)，再回到FEA求解器中導入CFD模型作為邊界條件，重新執(zhí)行電熱仿真，最后得到精確的電熱仿真結(jié)果。
下面以一個PCB熱仿真實例，詳細說明仿真步驟。
① FEA求解器提取簡化模型
啟動Cadence Celsius Thermal Solver，選擇并打開Solid Objects Simulation for Layered Structures模塊，該模塊就是基于FEA求解仿真層狀結(jié)構(gòu)（PCB板）。
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