印刷電路板裝配（PCBA）的案例
案例59-印刷電路板的熱結(jié)構(gòu)分析
該示例問題演示了如何使用獨立于網(wǎng)格的增強(qiáng)單元來執(zhí)行印刷電路板（PCB）的熱結(jié)構(gòu)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(jìn)行建模。
• 熱分析后進(jìn)行下游結(jié)構(gòu)分析。
介紹
印刷電路板（PCB）在電子設(shè)備和其他相關(guān)應(yīng)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(dǎo)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(shù)量巨大，該方法通常是困難和耗時的
網(wǎng)格獨立增強(qiáng)單元技術(shù)通過使用MESH200單元定義嵌入?yún)^(qū)域的拓?fù)洳o縫創(chuàng)建嵌入增強(qiáng)單元，為PCB建模和網(wǎng)格化提供了更好的選擇。不涉及復(fù)雜的接觸建模、耦合或困難的網(wǎng)格劃分技術(shù)。
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(jié)構(gòu)分析。
由于運行載荷而在一些嵌入式金屬跡線上產(chǎn)生的熱量會導(dǎo)致整個PCB的溫度梯度。梯度會導(dǎo)致PCB在操作期間變形，并引起熱應(yīng)力和應(yīng)變。
建模
用于穩(wěn)態(tài)熱分析的模型使用ANSYS Mechanical創(chuàng)建，生成初始網(wǎng)格的單元：
• 表示小銅通孔的線體用LINK33劃分網(wǎng)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(jìn)行網(wǎng)格化。SOLID70單元進(jìn)行了修改（EMODIF），以創(chuàng)建SOLID278單元，以支持增強(qiáng)單元的生成。
每個固體層壓板和樹脂體在內(nèi)表面處彼此默認(rèn)接合接觸，從而形成六個接合接觸對。
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展開 印刷電路板的熱結(jié)構(gòu)分析
前言
印刷電路板通常由 多層層壓材料和 起加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的樹脂材料粘合而成，類似于層合板結(jié)構(gòu)， 層間鋪設(shè)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(jié)構(gòu)分析問題，傳統(tǒng)的方法是對這些層合板（實體單元）、導(dǎo)電線路（殼單元）、外接金屬通孔（殼單元）進(jìn)行 一 一建模，這其中涉及到復(fù)雜的耦合和接觸問題，而且電路板中包含大量 導(dǎo)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(wǎng)格增強(qiáng)單元技術(shù)( Mesh-independent reinforcing element technology)，并通過使用mesh200單元無縫的創(chuàng)建了印刷電路板中的鋪設(shè)線路&導(dǎo)電通孔，這其中不涉及復(fù)雜的接觸和耦合的復(fù)雜性。因此 ，獨立網(wǎng)格增強(qiáng)單元技術(shù)為含這種內(nèi)嵌入的結(jié)構(gòu)的模型建立和網(wǎng)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(qiáng)單元技術(shù)來建立輪胎內(nèi)部的起結(jié)構(gòu)加強(qiáng)的鋼絲。
為了讀者更容易理解獨立網(wǎng)格增強(qiáng)單元技術(shù)，芷行會在下期文章中進(jìn)行詳細(xì)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(jié)構(gòu)分析包含：1.由電子器件產(chǎn)熱流在結(jié)構(gòu)中傳遞；2.由于熱不均勻性導(dǎo)致的電路板結(jié)構(gòu)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(fù)載引起的結(jié)構(gòu)分析
關(guān)鍵仿真模擬技術(shù)特征：
獨立網(wǎng)格增強(qiáng)單元技術(shù)
含嵌入式增強(qiáng)單元模型的建立（如電路板中的銅線結(jié)構(gòu)、輪胎中的鋼絲結(jié)構(gòu)）
計算結(jié)果
計算結(jié)果最重要的是溫度分布結(jié)果，如下。
展開 一期一會 | 什么是印刷電路板（PCB）？
</p><p><br></p><p>印刷電路板（PCB）是一種用于固定和連接電路組件的機(jī)械基板。幾乎所有現(xiàn)代消費電子設(shè)備和配件，包括手機(jī)、平板電腦、智能手表、無線充電器和電源等，都要用到PCB。這些多材料、多層板構(gòu)成了印刷電路板組裝（<span style="color: var(--weui-LINK);">PCBA</span>）的穩(wěn)定基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)引導(dǎo)有源組件和無源組件之間的電流。</p><figure style="text-align: center;"><figure class="figure-image" contenteditable="false" data-img="https://img.jishulink.com/202512/attachment/f9448d9d253241808ab86a478d86037f.png" style="display: inline-block;"><img src="https://img.jishulink.com/202512/attachment/f9448d9d253241808ab86a478d86037f.png"></figure></figure><p> </p><p>PCB的底層通常由堅固的非導(dǎo)電材料組合而成，這些材料具有絕緣性、防水性和溫度穩(wěn)定性。常見的PCB材料包括FR4、金屬和聚酰亞胺（PI）。在選擇PCB材料時，成本節(jié)省、功能性（如熱膨脹）和環(huán)保性等都是需要考慮的因素。</p><p><br></p><p>在PCB的底層上蝕刻著將信號從一點傳輸?shù)搅硪稽c的路徑。這些薄體被稱為“跡線”，通常由銅制成，銅是一種高導(dǎo)電性材料，其中電子在組件間移動時電阻很小。
展開 
案例20-基于模態(tài)分析法的印刷電路板組件動態(tài)仿真
簡介
便攜式電子設(shè)備（如數(shù)碼相機(jī)、移動電話和PDA）使用印刷電路板（PCB）。由于對便利性和多功能性的需求增加，這些器件的設(shè)計重點是小型化，以適應(yīng)更高密度和更小尺寸的集成電路（IC）封裝。這些設(shè)計限制要求更小的焊點和更細(xì)的間距，這導(dǎo)致了板級互連的脆弱性。在運輸和客戶使用過程中暴露于惡劣的動態(tài)載荷環(huán)境是PCB的一個關(guān)鍵問題。PSD分析模擬了在這些惡劣條件下遇到未知載荷的隨機(jī)激勵。
模態(tài)疊加法通過將一個大的線性動態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一組使用法向模態(tài)系統(tǒng)的非耦合方程，從而有效地解決了該問題。疊加法的第一步是通過模態(tài)分析獲得系統(tǒng)的特征頻率和特征模態(tài)。然后進(jìn)行下游的模態(tài)瞬態(tài)分析、模態(tài)諧波分析和頻譜分析。
在模態(tài)分析中，通常只提取低頻的一個子集，截斷高頻模態(tài)。因此，基于模態(tài)子空間的解的精度無法保證，盡管使用殘差向量可以提高精度。計算殘差向量并將其歸一化為提取的模態(tài)，然后可用于所有下游分析（模態(tài)瞬態(tài)、模態(tài)諧波和頻譜分析）。
使用應(yīng)力/應(yīng)變模式的直接組合方法，提高了模態(tài)疊加擴(kuò)展通道的效率。可以通過應(yīng)用單元結(jié)果展開選項來激活模態(tài)分析中的展開。
問題描述
下面的模型是由三塊PCB堆疊在一起的PCB組件。利用加速度響應(yīng)譜對該模型進(jìn)行了基礎(chǔ)激勵下的PSD分析。目的是確定1-位移解，并比較有殘差向量和無殘差向量的結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過模態(tài)疊加展開（MXPAND）驗證了計算效率的提高。
建模
本節(jié)描述PCB組件的詳細(xì)建模。包括以下建模主題：
建模PCB結(jié)構(gòu)
該組件由三塊堆疊在一起的PCB組成。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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)。
展開 印刷電路板減震緩沖—JGX-0240D-3.6A型鋼絲繩隔振器
印刷電路板減震緩沖—JGX-0240D-3.6A型鋼絲繩隔振器
鋼絲繩隔振器是由鋼絲繩繞成螺旋狀并固定在沿螺母布置的兩塊金屬板之間制作而成的。它是一種具有非線性特性和干摩擦阻尼的新型隔振器，采用多股鋼絲按一定方向纏繞而成的鋼絲繩作為彈性元件，具有明顯的遲滯特性，其能量耗散來源于鋼絲間的摩擦、擠壓、滑移。
JGX-0240D-3.6A鋼絲繩隔振器是JGX-0240系列鋼絲繩隔振器中的一種型號，該型號由直徑2.4mm的鋼絲繩沿著上下兩個夾板繞制10圈而成，能夠承受的最大靜載荷為3.6kg，具有耐腐蝕、耐沖擊、耐高低溫等性能，適用于機(jī)載、車載、艦載等電子、機(jī)械設(shè)備、計算機(jī)與儀器儀表的隔振緩沖，導(dǎo)彈衛(wèi)星的運載、導(dǎo)航與發(fā)射系統(tǒng)的安全防護(hù)以及高低溫、化學(xué)污染等惡劣環(huán)境下機(jī)械、電子設(shè)備與設(shè)施的隔振緩沖等方面。
命名方式
尺寸表
型號
單重（kg）
安裝方式
通孔（mm）
螺紋（mm）
沉孔（°）
JGX-0240D-3.6A
0.152
A,B,C,D,E,S
Φ5.6±0.13
M5×0.8
90
結(jié)構(gòu)圖
安裝方式
展開 PCB | 日本松和產(chǎn)業(yè)研發(fā)出耐高溫可彎曲的透明印刷電路板
CINNO Research產(chǎn)業(yè)資訊，印刷電路板制造商松和產(chǎn)業(yè)（三重縣松阪市）近日開發(fā)出一種薄膜狀的透明印刷電路板。這種透明印刷電路板可用于電器設(shè)備和汽車零部件電路。除了具有優(yōu)異的耐熱性能外，柔軟且能夠自由彎曲，也適用于可穿戴設(shè)備使用。據(jù)悉，這種透明印刷電路板將在2022 年 1 月于東京舉行的商品展示會上展出，并將由此開拓新的商業(yè)合作伙伴。
松和產(chǎn)業(yè)開發(fā)的透明并且柔軟可彎曲的印刷電路板
根據(jù)日媒日本經(jīng)濟(jì)新聞報道，該線路板是由用作電子電路的絕緣基材聚酰亞胺樹脂上涂覆銅的材料制成。利用能夠使銅熔化的專用設(shè)備，可加工出微米級的精密布線。除了能夠附著在玻璃和曲面上的特點，利用該材料的透明度還可安裝發(fā)光二極管（LED），用來制造整體發(fā)光的電子元件。
到目前為止，透明印刷電路板都是采用聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）樹脂制成的，這種樹脂通常用于塑料瓶。然而，PET樹脂不耐高溫，而且很硬，所以其使用范圍受到限制。聚酰亞胺樹脂則能夠承受高達(dá)300攝氏度的高溫，也適用于產(chǎn)生熱量的汽車部件。
松和產(chǎn)業(yè)擅長于生產(chǎn)各種小批量的基材，交貨時間短。并且可以通過網(wǎng)絡(luò)接收電路板布線的訂單數(shù)據(jù)，能夠在最短8小時內(nèi)制作出產(chǎn)品并向客戶發(fā)貨。松和產(chǎn)業(yè)可以接收最小訂貨量為1張電路板的訂單。
展開 一期一會 | 什么是設(shè)計失效模式與影響分析（DFMEA）？
DFMEA和模板示例
一家國防領(lǐng)域大型電信產(chǎn)品公司，要求Ansys可靠性工程服務(wù)（RES）團(tuán)隊對其新一代GPS產(chǎn)品的印刷電路板裝配（PCBA）進(jìn)行DFMEA分析。RES團(tuán)隊將范圍限定在模塊級并進(jìn)行分析，同時考慮了構(gòu)成每個模塊電路的所有組件。
分析工作由一個涵蓋了設(shè)計、生產(chǎn)、供應(yīng)商質(zhì)量和供應(yīng)鏈管理等多個方面的團(tuán)隊完成。基于既定的等級和閾值標(biāo)準(zhǔn)，該團(tuán)隊確定了關(guān)鍵的風(fēng)險因素。此外，基于類似系統(tǒng)的經(jīng)驗，RES團(tuán)隊還提供了設(shè)計改進(jìn)的機(jī)會，包括用于確保高可靠性的PCB制造指南和最佳實踐，針對組件選擇的正確質(zhì)量等級，以及緩解靜電放電和電氣過應(yīng)力（ESD/EOS）失效的保護(hù)策略。
圖4：DFMEA文檔模板示例
這家客戶遵循了控制計劃，在板級實施二級互連改進(jìn)，以及采用外部保護(hù)技術(shù)來緩解現(xiàn)場ESD和EOS失效，從而顯著節(jié)省了成本，并預(yù)防了現(xiàn)場失效的發(fā)生。
歡迎聯(lián)系我們，以進(jìn)一步了解Ansys軟件如何幫助企業(yè)利用仿真的預(yù)測功能來突破設(shè)計極限。
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