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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(kāi)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。

PCB 的熱導(dǎo)率取決于所用材料的熱膨脹系數(shù) (CTE) 及其厚度。 設(shè)計(jì)人員必須特別注意為 PCB 疊層中的每一層選擇材料。 當(dāng)不同層中使用的各種材料的熱膨脹系數(shù)不匹配時(shí)，在重復(fù)熱循環(huán)時(shí)，會(huì)發(fā)生疲勞，從而降低熱導(dǎo)率。 通孔和焊球中的鍍銅在高熱循環(huán)下更容易受到損壞。集成冷卻方式與傳統(tǒng)的散熱器和風(fēng)扇設(shè)置相比，集成冷卻方法用于實(shí)現(xiàn)更高的導(dǎo)熱系數(shù)。

?該方法基于熱傳導(dǎo)?熱輻射和熱對(duì)流原理,使用ANSYSICEPAK軟件,從PCB尺寸?過(guò)孔設(shè)置和材質(zhì)3個(gè)方面對(duì)參數(shù)進(jìn)行了熱仿真優(yōu)化實(shí)驗(yàn),分析了相同設(shè)計(jì)原理情況下,不同PCB布局和尺寸設(shè)計(jì)時(shí)熱仿真結(jié)果的差異性,并對(duì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)電路熱性能的改善,滿足了車規(guī)級(jí)溫度的仿真要求?

Ansys Sherlock?：Sherlock讓您可以導(dǎo)入各種柔性PCB文件格式，并提供多個(gè)可用選項(xiàng)對(duì)材料、幾何結(jié)構(gòu)、部件信息等文件進(jìn)行前處理。常見(jiàn)的場(chǎng)景是將編輯過(guò)的柔性PCB文件從Sherlock軟件導(dǎo)出到Ansys Mechanical?軟件中，以進(jìn)行深入的熱機(jī)械分析。

Ansys Mechanical具有多種封裝PCB建模方案和大量封裝PCB結(jié)構(gòu)可靠性仿真案例。 本次演講將介紹Ansys Mechanical多種封裝PCB建模方法和基本原理，并從PCB封裝制造和使用階段可靠性出發(fā)，介紹客戶相關(guān)使用經(jīng)驗(yàn)。

本文從小米公司未來(lái)散熱技術(shù)說(shuō)起，與熱設(shè)計(jì)工程師、電子工程師和機(jī)械結(jié)構(gòu)熱工程師聊聊Ansys Icepak PCB板級(jí)熱仿真那些事。 一、環(huán)形冷泵概述環(huán)形冷泵由蒸發(fā)器、冷凝器、補(bǔ)償腔以及蒸氣和液體管道組成，蒸發(fā)器處于手機(jī)主板熱源區(qū)域，當(dāng)處理器等熱源高負(fù)載運(yùn)行時(shí)，冷液蒸發(fā)為汽態(tài)，通過(guò)自然膨脹驅(qū)動(dòng)氣流進(jìn)入蒸氣管道。

不同類型的電子產(chǎn)品熱管理系統(tǒng)在討論如何處理多余熱量的具體內(nèi)容之前，我們需要了解，在工程師選擇熱管理方法時(shí)，電子系統(tǒng)的規(guī)模是一項(xiàng)關(guān)鍵影響因素。半導(dǎo)體芯片封裝面臨的發(fā)熱和散熱挑戰(zhàn)，與印刷電路板（PCB）有所不同。與之類似，具有多個(gè)PCB和其它熱源（如電源）的外殼，需要與機(jī)架或整個(gè)數(shù)據(jù)中心等裝配體不同的解決方案。

較大元器件會(huì)阻擋冷卻空氣流動(dòng)到較小、較低的元器件；元器件背后的尾流區(qū)是同樣的空氣不斷循環(huán)流動(dòng)的區(qū)域，因而該區(qū)域中所有元器件的溫度可能都很高。建議將所有矩形元器件對(duì)齊，使其長(zhǎng)邊與主要?dú)怏w流動(dòng)方向平行。

焊點(diǎn)疲勞簡(jiǎn)介 焊點(diǎn)疲勞是循環(huán)載荷下焊點(diǎn)的失效。這種載荷可能有多種形式（例如跌落/震動(dòng)，振動(dòng)，溫度循環(huán)），其中電子設(shè)備中的大多數(shù)焊點(diǎn)疲勞是由熱-機(jī)械驅(qū)動(dòng)的。在溫度循環(huán)期間，由于PCB和組件之間的熱膨脹系數(shù)（CTE）不匹配，在焊點(diǎn)中產(chǎn)生了應(yīng)力。這導(dǎo)致焊點(diǎn)經(jīng)歷不可恢復(fù)的變形，該變形累積并導(dǎo)致裂紋和最終斷裂。

由于反復(fù)接通和斷開(kāi)電源，微電子元件受 </div><div contenteditable="false" width="100%"> 到熱循環(huán)的作用，因此，焊點(diǎn)處出現(xiàn)裂紋，斷開(kāi)了芯片與印刷電路板的連接，從而導(dǎo) </div><div contenteditable="false" width="100%"> 致故障。

如今，制造商使用仿真軟件進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)，以便在開(kāi)發(fā)的各個(gè)環(huán)節(jié)都能對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行建模、分析和驗(yàn)證。</p><p><br></p><p>PCB設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)包括尺寸限制、熱因素、電遷移、機(jī)械集成和電源效率。這些復(fù)雜性要求設(shè)計(jì)人員與不同領(lǐng)域的專家合作，以確保在整個(gè)流程中解決電氣、結(jié)構(gòu)和熱工程方面的問(wèn)題。

基于PCB板+IGBT模塊+散熱器總成精細(xì)化熱-固耦合仿真模型，精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)整機(jī)由于各層結(jié)構(gòu)CTE不同導(dǎo)致的“呼吸效應(yīng)”熱變形首先通過(guò)構(gòu)建PCB板+IGBT模塊+散熱器熱-固耦合模型，精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)因CTE差異導(dǎo)致的“呼吸效應(yīng)”熱變形，定位溫度循環(huán)動(dòng)載荷致Pin針焊層疲勞失效的原因；通過(guò)Creo參數(shù)化建模并與Ansys Workbench聯(lián)合，結(jié)合響應(yīng)面優(yōu)化Pin針結(jié)構(gòu)參數(shù)，尋優(yōu)時(shí)間縮至24h內(nèi)

2 常規(guī)所遇的熱仿真設(shè)計(jì)重點(diǎn) 幾何模型處理及導(dǎo)入(Ansys Spaceclaim) 熱及流理論計(jì)算－導(dǎo)熱 (傳導(dǎo)熱，包含通過(guò)PCB組件及Trace的能量)－對(duì)流 (自然對(duì)流/強(qiáng)制對(duì)流，包含風(fēng)扇處理)－輻射 (吸收/散射/放射/反射/穿透，包含太陽(yáng)輻射效應(yīng)

6月10日，Ansys將在深圳舉辦線下研討會(huì)——破局高速PCB制造瓶頸：Ansys多物理場(chǎng)與AI驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)與制造創(chuàng)新，將圍繞工廠加工制造過(guò)程中的信號(hào)完整性、熱設(shè)計(jì)、電磁兼容、結(jié)構(gòu)仿真及制造可靠性等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，系統(tǒng)展示多物理場(chǎng)與AI驅(qū)動(dòng)下的設(shè)計(jì)與制造創(chuàng)新方案。

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(yùn)行載荷而在一些嵌入式金屬跡線上產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致整個(gè)PCB的溫度梯度。梯度會(huì)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： &bull; 表示小銅通孔的線體用LINK33劃分網(wǎng)格。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，F(xiàn)lexium使用Ansys仿真軟件，通過(guò)有效的布局和材料變化，對(duì)其FPC設(shè)計(jì)進(jìn)行電磁、熱和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。此外，Ansys工具還可幫助Flexium設(shè)置PCB布局和材料的特定參數(shù)，然后創(chuàng)建參考庫(kù)，用于未來(lái)的毫米波設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

2、Ansys Icepak w/AEDT 新的網(wǎng)格劃分增強(qiáng)功能 – 階梯網(wǎng)格劃分（2D多級(jí)），可捕獲單個(gè)層和細(xì)節(jié)，從而產(chǎn)生魯棒性更強(qiáng)的PCB網(wǎng)格，可在堆疊和分層結(jié)構(gòu)上發(fā)揮作用。該增強(qiáng)功能也被用于滑動(dòng)條形網(wǎng)格剖分中。 增強(qiáng)的熱場(chǎng)后處理使其性能比22 R2版本提高了 2-3 倍。 版本2支持緊湊型熱模型（CTM）。

此前經(jīng)歷過(guò)500次熱測(cè)試循環(huán)后失效的產(chǎn)品，經(jīng)過(guò)Ansys解決方案的優(yōu)化之后，可承受1,000次以上的循環(huán)。 使用Ansys多物理場(chǎng)模型進(jìn)行熱應(yīng)力變化仿真 uPI封裝研發(fā)經(jīng)理莊（音）先生表示：“Ansys多物理場(chǎng)仿真解決方案可幫助我們優(yōu)化芯片封裝設(shè)計(jì)，并大幅提高產(chǎn)品的可靠性。

不同類型的客戶，不同的產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ?em>PCB的可靠性要求也完全不一樣。比如，有的產(chǎn)品對(duì)于PCB的可靠性要求是260攝氏度十個(gè)小時(shí)烘烤后，仍然能夠滿足PCB電性能要求；有的產(chǎn)品要求IST循環(huán)250次甚至1000次之后，產(chǎn)品電阻變化率小于10%；有的產(chǎn)品要求PCB產(chǎn)品在25g加速度情況下滿足30分鐘的共振要求等等。

電子冷卻和PCB 熱仿真與分析軟件正在加速產(chǎn)品設(shè)計(jì)，Ansys Icepak是用于熱管理的CFD求解器，可預(yù)測(cè)芯片封裝、PCB、電子組件和電力電子設(shè)備中的氣流、溫度和傳熱。在最新2025 R1 版本中，Ansys Icepak 持續(xù)為更多電氣、結(jié)構(gòu)、熱和半導(dǎo)體/芯片級(jí)熱工程用戶提供技術(shù)支持。