如何解决电路板由于热应力和结构应力失效的问题

随着电路板尺寸的不断减小，能量耗散的逐步上升，容易造成电路板的热应力和结构应力失效，如今SMT无铅制程的不断发展，也不断考验着电路板的热应力和结构应力。那么应怎样才能改变电路板热应力和结构应力失效的问题呢？

工程师一直都能够确定热点源并使用 ANSYS SIwave 电路分析器计算PCB 迹线与通孔的焦耳热。他们可将这些热源用作 ANSYS Icepak 系统级热仿真的输入，用于判断电路板上和电路板周围的温度场。但是由于研究每条迹线及每个通孔的电路板详细模型一般都很大而且复杂，无法在合理的时间进度内完成分析。因此工程师不能预测电路板在制造及工作周期中的变形。

解决方案

ANSYS 已经开发出一种全新的多物理场方法，能够在正常设计迭代周期内准确地仿真热和机械载荷下的电路板性能。新方法首先使用 SIwave计算电路板上的 DC 电流和电压，然后将其用于计算焦耳热。由于电路板尺寸缩小而功耗保持不变甚至不断增加，因此焦耳热正日渐成为 PCB中热载荷的重要来源。

然后，使用 ANSYS 17.0 中新增的自动双向工作流将电路板迹线图和电流密度预测导出至 Icepak。Icepak 负责计算 PCB 的正交热导率以及求解区域中每一个点的温度。Icepak 计算出的温度随后自动传输回SIwave，而 SIwave 根据温度场更新 DC 解的电气属性。SIwave 然后再次计算 DC 场并将其导出至 Icepak。这个迭代过程将持续到温度收敛为止。

然后可使用 ANSYS SpaceClaim 构建一个结构模型，用于读取 ECAD 几何结构并将其转换为固体几何结构层。ANSYS Mechanical 可将这些固体层离散化为单元网格。通过以下方式表示 ECAD 几何结构的详细信息：根据每个单元准确的金属和电介质比例为每个单元分配相应的材料属性。得到的有限元模型能非常准确地预测热或机械载荷在电路板任何位置上所产生的应力、应变和变形，所需时间仅为求解所有详细电路板几何结构时的一小部分。

这种全新的多物理场分析方法可让工程师第一次在典型设计周期时限内就能准确仿真 PCB 的热及机械载荷效应。工程师可使用这一方法评估所推荐的设计，判断热或机械载荷是否会导致问题，并对推荐的设计变更解决这些问题的效果进行评估。这一方法可让产品设计在设计流程早期阶段解决热载荷问题，从而可减少产品失效和质保索赔，同时通过避免进行成本高昂的设计后期更改，缩短上市时间和节省工程费用。

电路板的变形一直是电路板生产厂家需要考虑的问题，而通过全新的多物理场分析方法，可以改善电路板的热应力和结构应力，最终提高电路板的质量，满足客户的需求。