印制電路板模型建立與優(yōu)化

呂俊杰

摘 要 在振動環(huán)境下工作的電子產(chǎn)品，焊點的失效原因往往是板上處于高應(yīng)力位置的焊點發(fā)生斷裂，如何知道印制板上哪些區(qū)域?qū)儆诟邞?yīng)力區(qū)，這些區(qū)域為什么應(yīng)力會很高，如何解決焊點斷裂失效，這些都是工業(yè)界目前遇到的實際問題。通過對電路板組件進(jìn)行有限元仿真分析，分析動力學(xué)特性、隨機(jī)振動相應(yīng)特征，建立仿真模型。同時通過開展各種實驗，完成該板的模態(tài)分析、響應(yīng)分析、以及應(yīng)力分布的分析。將這些分析與建立的模型對比、修正、擬合，使該模型成為準(zhǔn)確度較高的印制板仿真模型，并應(yīng)用到實際的電子產(chǎn)品中，從而提高了產(chǎn)品的可靠性，加速研發(fā)進(jìn)度，節(jié)約成本。

【關(guān)鍵詞】有限元 建模 仿真優(yōu)化 可靠性

通過兩個方面完成印制板的模型建立及焊點的應(yīng)力分析。

（1）建模。搜集所需建立對象物理參數(shù)、載荷譜等數(shù)據(jù)。采用有限元分析方法對特定印制板進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模，并分析動力學(xué)特性、隨機(jī)振動相應(yīng)特征，給出結(jié)構(gòu)模態(tài)分析結(jié)果。

（2）模型修正。開展各種實驗，對實際電路板的應(yīng)力分布展開研究工作，完成該板的模態(tài)分析、響應(yīng)分析、以及應(yīng)力分布的分析。將這些分析與建立的模型對比、修正、擬合，使模型能夠準(zhǔn)確反映實際板的應(yīng)力分布情況。

1 模型建立

PCB上安裝四個大質(zhì)量的器件，在振動時，由于應(yīng)力導(dǎo)致背面元件焊點的斷裂，通過有限元建模，分析印制板上的應(yīng)力分布，見圖1。

建立模型大致分成4個階段。首先根據(jù)提出的問題，針對PCB收集相關(guān)資料，如材料機(jī)械性能及幾何條件、外力、邊界條件等；第二，建立有限元模型的前置處理（Preprocessing）階段，如對材料性質(zhì)確定、幾何形狀的定義，元素的切割等，然后添加邊界條件，添加負(fù)荷條件，添加時間變化情形等。第三，對模型進(jìn)行分析，并對建立的模型進(jìn)行后置處理（Postprocessing），如結(jié)果的顯示和打印等。至此，初步的有限元模型基本建立完成。第四，與試驗結(jié)合起來對分析結(jié)果進(jìn)行判斷、修改模型、提出改進(jìn)方法，最后得到最準(zhǔn)確的模型，從而為問題解決和最佳設(shè)計提供依據(jù)。在建模中，前、后處理軟件分別采用MSC-Patran，分析軟件MSC-Nastran。建立的模型見圖2。

2 優(yōu)化模型后比較

初步的模型進(jìn)行計算修訂后，確認(rèn)模型的準(zhǔn)確性和適用性。

2.1 模態(tài)測試中PCBA的固有頻率比較

將模態(tài)分析試驗得到的印制板自由狀態(tài)下的固有頻率（試驗值）與通過模型計算得到的固有頻率（計算值）列表于表1中，并進(jìn)行比較。

從表2看到，計算頻率均小于試驗值，但誤差不超過15%，模型是可用的。

2.2 RMS和PSD比較

將響應(yīng)測試實驗中得到的PSD（振動加速度功率譜密度值）和RMS（振動加速度總效值）與通過模型計算得到的PSD及RMS列表于表2中，并進(jìn)行比較。

從表2看到，計算與測試的RMS、PSD以及響應(yīng)頻率的誤差不超過15%，模型可信。

3 總結(jié)

建立一個精確的模型一定要進(jìn)行數(shù)據(jù)的試驗比較。本文中，PCBA通過試驗得到的固有頻率、PSD、RMS、以及印制板上的應(yīng)力響應(yīng)頻率分布都基本上與建立的仿真模型相吻合，建立的仿真模型準(zhǔn)確性較高。

參考文獻(xiàn)

[1]PCBA Random Vibration Analysis using FEA Reliability Engineering Group.

[2]Cascade Engineering Services，Inc.

[3]PCBA Stress Analysis with.

[4]MIL Standard Input Pro_le.