印刷電路板（PCB）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行建模。
• 熱分析后進行下游結(jié)構(gòu)分析。
介紹
印刷電路板（PCB）在電子設備和其他相關(guān)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(shù)量巨大，該方法通常是困難和耗時的
網(wǎng)格獨立增強單元技術(shù)通過使用MESH200單元定義嵌入?yún)^(qū)域的拓撲并無縫創(chuàng)建嵌入增強單元，為PCB建模和網(wǎng)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(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(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行網(wǎng)格化。SOLID70單元進行了修改（EMODIF），以創(chuàng)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(nèi)表面處彼此默認接合接觸，從而形成六個接合接觸對。
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械基板。幾乎所有現(xiàn)代消費電子設備和配件，包括手機、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，負責引導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
便攜式電子設備（如數(shù)碼相機、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，這些器件的設計重點是小型化，以適應更高密度和更小尺寸的集成電路（IC）封裝。這些設計限制要求更小的焊點和更細的間距，這導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）。
使用應力/應變模式的直接組合方法，提高了模態(tài)疊加擴展通道的效率。可以通過應用單元結(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。利用加速度響應譜對該模型進行了基礎激勵下的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 新品上市 | 印刷電路板 (PCB) 測試套件
印
刷電路板 (PCB) 測試套
件
通常，復雜電子產(chǎn)品在移動或惡劣環(huán)境下的可靠性來自于開發(fā)和密集測試中獲得的經(jīng)驗。在HBK，我們的解決方案是通過對PCB板進行應變測量，簡單和快速地進行產(chǎn)品的機械耐久性和可靠性測試。
印刷電路板測試套件包含IPC/JEDEC 9704 PCB應變測量標準所需的所有工具和輔助材料，從應變片到橋路放大器，以及可現(xiàn)場顯示結(jié)果的數(shù)據(jù)采集軟件。
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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 Ansys攜手Autodesk推出Fusion 360 PCB擴展程序
由Ansys技術(shù)支持的PCB擴展將成為Autodesk Fusion 360的首款第三方擴展程序
主要亮點
Autodesk Fusion 360擴展程序?qū)⑻峁┛焖佟蚀_可靠的深度信息，可幫助設計人員在開展印刷電路板（PCB）設計時獲得一次性成功
該擴展程序?qū)⒋龠M消費類產(chǎn)品設計人員和工程師更廣泛地使用電磁分析
在設計流程中盡早地引入仿真技術(shù)，有助于設計團隊更迅速地探索和驗證新的PCB設計，并加快新一代智能產(chǎn)品的研發(fā)速度
Ansys 和Autodesk合作推出一款印刷電路板（PCB）擴展程序，這標志著其將成為Autodesk Fusion 360的首款第三方擴展。在兩家公司共同愿景的推動下，該擴展程序旨在促進消費類產(chǎn)品設計人員和工程師更廣泛地使用電磁分析。
Ansys與Autodesk合作研發(fā)的Fusion 360 PCB擴展程序可實現(xiàn)快速設計探索，從而有助于在產(chǎn)品研發(fā)流程后期階段減少成本高昂的原型制作。通過在Fusion 360中嵌入式集成Ansys市場領(lǐng)先的電磁功能，電氣CAD用戶將能夠在Fusion 360工作流程中開展近乎實時的PCB分析。
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展開 布線設計是成功的基石：Ansys HFSS引領(lǐng)引線鍵合仿真潮流
本文原刊登于Ansys Blog：《Wired for Success: Ansys HFSS Leads in Wirebond Simulation》
作者：Kevin Quillen
編輯整理：褚正浩 | Ansys中國高級應用工程師
隨著半導體制造商對處理速度的需求日益增長，印刷電路板（PCB）和芯片封裝的所有組件都必須以超高的數(shù)據(jù)速率提供精準的信號完整性。因此，一定要對任何可能導致中斷以及信號噪聲耦合的設計進行缺陷測試。
引線鍵合是在PCB或芯片封裝中連接芯片和基板的微小“線路”，其正在接受特別考驗。作為連接通道，它們通常是信號損耗或信號退化的根源。半導體工程團隊必須將從材料、鍵合參數(shù)到工作環(huán)境條件的所有因素納入考慮，以設計出高可靠性的鍵合絲。
速度對于分析潛在的鍵合絲設計以及精準預測其作為PCB或芯片封裝一部分的性能至關(guān)重要，尤其在進行全面的物理測試所需的預算、員工工時和其它資源都很有限的情況下。那么，電子工程師如何才能在滿足嚴苛發(fā)布期限和財務目標的同時，實現(xiàn)提供完美鍵合絲性能所需的精準分析呢？
無與倫比的性能，充分滿足鍵合絲仿真需求
答案是通過Ansys HFSS對鍵合絲進行建模并仿真其性能，以及所連接的其它方面，包括PCB和芯片封裝。
Ansys為芯片、封裝、印刷電路板（PCB）和整個系統(tǒng)的建模提供了一個完整的仿真環(huán)境
HFSS是仿真高頻率信號及電源完整性設計的行業(yè)標準，可為繪制、導入和修改鍵合絲結(jié)構(gòu)提供本地支持。
展開 布線設計是成功的基石：Ansys HFSS引領(lǐng)引線鍵合仿真潮流
本文原刊登于Ansys Blog：《Wired for Success: Ansys HFSS Leads in Wirebond Simulation》
作者：Kevin Quillen
編輯整理：褚正浩 | Ansys中國高級應用工程師
隨著半導體制造商對處理速度的需求日益增長，印刷電路板（PCB）和芯片封裝的所有組件都必須以超高的數(shù)據(jù)速率提供精準的信號完整性。因此，一定要對任何可能導致中斷以及信號噪聲耦合的設計進行缺陷測試。
引線鍵合是在PCB或芯片封裝中連接芯片和基板的微小“線路”，其正在接受特別考驗。作為連接通道，它們通常是信號損耗或信號退化的根源。半導體工程團隊必須將從材料、鍵合參數(shù)到工作環(huán)境條件的所有因素納入考慮，以設計出高可靠性的鍵合絲。
速度對于分析潛在的鍵合絲設計以及精準預測其作為PCB或芯片封裝一部分的性能至關(guān)重要，尤其在進行全面的物理測試所需的預算、員工工時和其它資源都很有限的情況下。那么，電子工程師如何才能在滿足嚴苛發(fā)布期限和財務目標的同時，實現(xiàn)提供完美鍵合絲性能所需的精準分析呢？
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展開 電子電路3D打印廠商NANO DIMENSION收購AI公司DEEPCUBE
增材制造與人工智能的結(jié)合
Nano Dimension是一家專注于印刷電路板（PCB）的以色列3D打印機制造商，也是業(yè)內(nèi)價值最高的3D打印機公司之一。它的AME電子電路3D打印技術(shù)——The Lights-Out Digital Manufacturing（LDM）使用戶可以3D打印原型，以及小批量制造3D打印電子產(chǎn)品，同時進行多種材料的革命性增材制造方法。重新定義未來電子產(chǎn)品的屬性，包括密度、尺寸和靈活性。
△視頻：電路板3D打印技術(shù)原理
公司的3D打印機DragonFly LDM裝有兩個打印頭，一個用于裝載納米銀導電性墨水，另一個用于介電聚合物墨水，可以在一次打印作業(yè)中同時打印兩種高級墨水。利用超精密的噴墨沉積打印機與專用的納米墨水和優(yōu)化的3D軟件，Nano Dimension能夠制造例如印刷電路板（PCB）、天線、電容器和傳感器等產(chǎn)品。南極熊全球3D打印產(chǎn)品庫https://product.nanjixiong.com/已經(jīng)收錄了這款產(chǎn)品，歡迎咨詢。
△電子電路3D打印技術(shù)
DeepCube也是一家以色列公司，成立于2016年，專注于機器學習和AI。DeepCube致力于深度學習技術(shù)的研發(fā)，以及在現(xiàn)實生活中部署AI系統(tǒng)。公司的眾多創(chuàng)新專利包括更快、更準確地訓練深度學習模型的方法，能夠提高AI的推理性能。
南極熊認為，本次收購的關(guān)鍵在于技術(shù)。DeepCube的專有框架可以部署在數(shù)據(jù)中心和邊緣計算設備中的現(xiàn)有硬件之上，從而將速度提高10倍以上，并減少內(nèi)存需求。公司還提供了在智能邊緣設備上有效部署深度學習模型的技術(shù)。本次收購屬于強強聯(lián)合，能夠讓Nano Dimension原本的3D打印技術(shù)通過AI的改進更上一層樓。
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布線設計是成功的基石：Ansys HFSS引領(lǐng)引線鍵合仿真潮流
本文原刊登于Ansys Blog：《Wired for Success: Ansys HFSS Leads in Wirebond Simulation》
作者：Kevin Quillen
編輯整理：褚正浩 | Ansys中國高級應用工程師
隨著半導體制造商對處理速度的需求日益增長，印刷電路板（PCB）和芯片封裝的所有組件都必須以超高的數(shù)據(jù)速率提供精準的信號完整性。因此，一定要對任何可能導致中斷以及信號噪聲耦合的設計進行缺陷測試。
引線鍵合是在PCB或芯片封裝中連接芯片和基板的微小“線路”，其正在接受特別考驗。作為連接通道，它們通常是信號損耗或信號退化的根源。半導體工程團隊必須將從材料、鍵合參數(shù)到工作環(huán)境條件的所有因素納入考慮，以設計出高可靠性的鍵合絲。
速度對于分析潛在的鍵合絲設計以及精準預測其作為PCB或芯片封裝一部分的性能至關(guān)重要，尤其在進行全面的物理測試所需的預算、員工工時和其它資源都很有限的情況下。那么，電子工程師如何才能在滿足嚴苛發(fā)布期限和財務目標的同時，實現(xiàn)提供完美鍵合絲性能所需的精準分析呢？
無與倫比的性能，充分滿足鍵合絲仿真需求
答案是通過Ansys HFSS對鍵合絲進行建模并仿真其性能，以及所連接的其它方面，包括PCB和芯片封裝。
Ansys為芯片、封裝、印刷電路板（PCB）和整個系統(tǒng)的建模提供了一個完整的仿真環(huán)境
HFSS是仿真高頻率信號及電源完整性設計的行業(yè)標準，可為繪制、導入和修改鍵合絲結(jié)構(gòu)提供本地支持。即使面對極高的設計要求，這種高性能的解決方案也能幫助工程師輕松解決諸如材料選擇與厚度、封裝配置與鍵合參數(shù)等復雜挑戰(zhàn)。
展開 Lumerical案例 | 基于熱感知的WDM收發(fā)器光子電路仿真——Icepak集成
在這個例子中，Ansys Lumerical INTERCONNECT的光子集成電路(PIC)建模能力與Icepak強大的熱仿真能力相結(jié)合，用于仿真和設計波分復用(WDM)收發(fā)器，同時考慮封裝中其他區(qū)域（例如電子集成電路(EIC)、印刷電路板(PCB) 等）的發(fā)熱。
一、概述
本文以一個六通道WDM系統(tǒng)為例進行研究。該系統(tǒng)采用共封裝光學器件（CPO）設計，包含光電器件。由于電子集成電路（EIC）和印刷電路板（PCB）產(chǎn)生的熱量，緊湊型CPO內(nèi)部的溫度變化會影響硅光子元件的性能。本文旨在：1）通過熱仿真了解CPO內(nèi)部的溫度分布；2）找到電路板上WDM元件的理想位置，以減輕電子元件發(fā)熱帶來的不利影響。
首先，使用Icepak對整個封裝進行熱仿真。然后可以生成光子（硅）層的溫度分布圖，并將其導出以用于光子電路仿真。
接下來，將溫度分布圖導入INTERCONNECT軟件。INTERCONNECT軟件針對晶圓上不同的光學元件位置運行多次仿真。基于掃描結(jié)果，分析眼圖和誤碼率（BER）等性能指標，以確定晶圓上光學元件的理想布局。
步驟 1：Icepak中進行熱仿真
Icepak在運行時計算封裝溫度，并導出硅晶片網(wǎng)格坐標和相應的溫度。
上圖展示了用于熱分析的PCB板設計示例。綠色層為硅片，棕色層為PCB板。PCB板與硅片之間采用球柵陣列（BGA）連接。透明框內(nèi)為位于PCB板頂部的集成電路（EIC），EIC用作熱源以啟動PCB板的熱分析。在本例中，我們將EIC視為均勻熱源，用戶也可以加載EIC的功率分布圖以進行更復雜的熱分析。
本次熱仿真中，EIC加熱數(shù)據(jù)來自芯片熱模型（CTM），焦耳加熱數(shù)據(jù)則來自SIwave。
展開 AnsysWB-表面貼片電阻的熱載荷應力仿真 ￥15
表面貼裝制造被廣泛用于組裝片式電阻封裝，能夠?qū)㈦娮釉苯淤N裝在印刷電路板（PCB）的表面。對更小的手持設備不斷增長的需求促使片式電阻器尺寸更小，這反過來又引發(fā)了對焊點熱疲勞壽命以及故障發(fā)生情況的擔憂。
表面貼片電阻會受到熱循環(huán)的影響。材料之間的熱膨脹差異會在結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生熱應力，
連接電阻與印刷電路板的焊料被視為裝配中最薄弱的環(huán)節(jié)，由于工作溫度高于焊料的
熔點，因此會產(chǎn)生稱為蠕變的變形。
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 起加強結(jié)構(gòu)強度的樹脂材料粘合而成，類似于層合板結(jié)構(gòu)， 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(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(wǎng)格增強單元技術(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(wǎng)格增強單元技術(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單元技術(shù)來建立輪胎內(nèi)部的起結(jié)構(gòu)加強的鋼絲。
為了讀者更容易理解獨立網(wǎng)格增強單元技術(shù)，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(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)格增強單元技術(shù)
含嵌入式增強單元模型的建立（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。
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