基于ANSYS的PCB安裝孔位置簡易優(yōu)化分析

魯文喜

（英格索蘭亞太工程技術(shù)中心，上海200051）

0 引 言

印刷電路板（PCB）作為重要的電子部件，廣泛用于電器設(shè)計(jì)中。如何保證電路板在維修拆卸和裝配固定后能夠保持預(yù)期的可靠性，合理地安裝成為其中重要的因素之一。本文主要研究電路板在極端維修的情況下，現(xiàn)場人員非正常拆卸接插件，導(dǎo)致電路板受到較大插拔力。通過ANSYS有限元分析，預(yù)測最大變形，用于判斷其是否可以依舊不被損壞，保證功能完好。同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)性，盡量采用較少的安裝孔來達(dá)到預(yù)期效果，所以進(jìn)行安裝孔位的優(yōu)化很有必要。

1 可接受標(biāo)準(zhǔn)

目前PCB板廠家主要依據(jù)IPC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)基板的翹曲進(jìn)行檢測，其中翹曲定義為弓曲和扭曲。分別定義如下：1）弓曲最大百分率=弓曲最大垂直位移（D）/ 最大垂直位移所在邊長度（L）× 100%，如圖1所示；2）扭曲最大百分率=扭曲最大垂直位移（D）/ 被測試樣對(duì)角線長度（L）×100%。

依據(jù)IPC標(biāo)準(zhǔn)，通常板翹曲度要求不得超過0.75%。在某些場景對(duì)覆銅板和線路板的翹曲度要求更高，板翹曲度要求不大于0.3%。翹曲度超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的PCB板，其SMT組裝時(shí)的焊接質(zhì)量將無法得到保障，進(jìn)而影響到電路板的功能[1]。

圖1 弓曲量測

針對(duì)本文研究的非正常插拔操作，為簡化分析，本文主要采用非正常插拔時(shí)的最大變形與PCB板材短邊長度的比值等效為翹曲中的弓曲，考慮一定安全系數(shù)，采用其值不超過0.60%。

2 安裝孔初始設(shè)計(jì)

文中所研究的PCB安裝在空調(diào)室外機(jī)的控制盒內(nèi)，在初始設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際PCB空間布局，在稍大的插拔接口處預(yù)留安裝定位孔，如圖2所示。該電路板主要用于連接各種傳感器、開關(guān)和其他電器零件，如圖3所示，共包含16個(gè)接插件（1～16），初始安裝孔多達(dá)9個(gè)（A～I(xiàn)）。其中接插件線束接口10僅在設(shè)計(jì)時(shí)功能調(diào)試使用，故后續(xù)不對(duì)其進(jìn)行插拔測試。

當(dāng)PCB安裝到控制面板上時(shí)，如果螺釘較多，會(huì)造成成本偏高，包括人工安裝時(shí)間和螺釘?shù)某杀?。在解決現(xiàn)場故障時(shí)，所有接線端子都有可能被插拔。而在此過程中，由于維修空間狹窄，現(xiàn)場人員可能會(huì)直接拉線拔出插頭，從而引起PCB產(chǎn)生較大翹曲，進(jìn)而破壞PCB上的元器件，產(chǎn)生失效。

圖2 PCB在機(jī)器中的安裝

圖3 PCB接插件及安裝孔位置

3 利用ANSYS進(jìn)行翹曲分析

3.1 ANSYS中加載力及材料性能的確定

1）影響因素及分析中可變量的設(shè)定。影響PCB變形的因素比較多，比如材料、結(jié)構(gòu)、圖形分布、加工制造和安裝等等[2]。本文主要針對(duì)的是安裝孔位布局及數(shù)量，在依據(jù)經(jīng)驗(yàn)布局的9個(gè)（A～I(xiàn)）孔位上尋找最優(yōu)的組合。

2)極端操作下的端子插拔力。正常的接口插拔操作如圖4所示，先釋放卡扣，然后拔出，這樣測出的力較小?？紤]到接口在維修過程中可能會(huì)遭遇的極端非正常插拔，不按下鎖扣，強(qiáng)行拖拽線束，如圖5所示。通過彈簧秤模擬非正常操作測量拔出力和插入力，從而獲得最大插拔力，如圖6所示，每個(gè)端子測試3次，取平均值作為輸入。

圖4 正常插拔

圖5 非正常插拔

圖6 插拔力測量

表1 各接口插拔力N

表2 總厚度、厚度分布及材料彈性模量

通過測量插拔力得到如表1所示的數(shù)據(jù), 接口序號(hào)對(duì)應(yīng)圖3。

3)PCB板材的力學(xué)性能等效計(jì)算。電路板的基材是覆銅壓板，它是制作印制電路板的基板材料，它除了用作支持各種元器件外，還能實(shí)現(xiàn)電氣連接或電絕緣。覆銅箔層壓板可分為單面、雙面和撓性覆銅箔層壓板[3]。根據(jù)板材供應(yīng)商提供的相關(guān)數(shù)據(jù)，本例通過表2簡易初步估算獲得彈性模量數(shù)據(jù)。

根據(jù)以上信息，通過合力平衡σ×A=σ1×A1+σ2×A2。（式中：1、2分別為兩不同材料；A為材料橫截面積），結(jié)合E=σ/ε可以計(jì)算等效彈性模量E= E銅×其厚度占比+EFR-4×其厚度占比。E=98.15 GPa；泊松比為0.3 (此為供應(yīng)商推薦值)。

本例以外的PCB板的彈性模量需依據(jù)實(shí)際的板層結(jié)構(gòu)及材料等共同確定，這些數(shù)據(jù)可從供應(yīng)商處獲得或通過動(dòng)態(tài)分析計(jì)算彈性模量。

圖7 安裝孔位置

3.2 ANSYS分析

3.2.1 總體思路

1) 根據(jù)當(dāng)前接插件位置和PCB形狀，常規(guī)思路，首先固定4個(gè)角落的螺釘孔A、B、C、D，見圖7，然后依次分析各插拔口插拔時(shí)，確認(rèn)PCB是否滿足翹曲要求。

2)如果上一步的4個(gè)螺釘無法通過翹曲要求，依次增加1個(gè)螺釘，并嘗試不同的組合。直到各測試插頭插拔都滿足翹曲要求。

3.2.2 模型預(yù)處理及假設(shè)

1) PCB板依據(jù)實(shí)際厚度，建模1.6 mm，忽略接插件之外的電子元器件；2) 螺釘剛性連接，分析加載示意如圖8所示。

圖8 FEA分析加載示意

3.2.3 螺釘數(shù)量從4個(gè)開始，分析變形數(shù)據(jù)

1) 根據(jù)接插件的分布及經(jīng)驗(yàn)，首先固定4個(gè)邊角的螺釘，即固定A、B、C、D孔位，測試所有的插拔點(diǎn)，獲取表3變形數(shù)據(jù)。

表3 固定4處螺釘?shù)母鼽c(diǎn)變形

通過圖9 分析可以看到，固定A、B、C、D這4個(gè)孔，會(huì)導(dǎo)致在2、9、12插拔點(diǎn)上施加力時(shí)，PCB 板翹曲變形大于預(yù)設(shè)值0.60% 而超標(biāo)，無法達(dá)到要求。

2)在選用A、B、C、D的基礎(chǔ)上，繼續(xù)增加1個(gè)螺釘位置，依次選取E、F、G、H、I孔位來進(jìn)行測試上一輪實(shí)驗(yàn)中超標(biāo)的2、9、12插拔點(diǎn)，查看變形是否通過。根據(jù)表4得知，有5組孔位組合依然不符合要求。3) 在選用A、B、C、D的基礎(chǔ)上繼續(xù)增加2個(gè)螺釘，查看2、9、12插拔點(diǎn)的變形情況。根據(jù)表5，發(fā)現(xiàn)有4組滿足要求。

3.2.4 改進(jìn)設(shè)計(jì)

基本思路：能否去掉一些周圍沒有插拔件而且靠近其它孔位的孔。進(jìn)一步考慮到D、I孔位非常近，中間無插拔件，而且孔位I附近有引起較大變形的12號(hào)插拔點(diǎn)，故考慮去掉孔位D，測試以A、B、C、I 為 基準(zhǔn)，按表5 考察A、B、C、I、F及A、B、C、I、E的孔位組合，看是否滿足要求。數(shù)據(jù)見圖10(接口10處由于無插拔力，故無翹曲發(fā)生)。由此可見，A、B、C、I、F及A、B、C、I、E符合設(shè)計(jì)要求。

圖9 加載2、9、12處的變形圖

表4 固定5處安裝孔位的各點(diǎn)變形

表5 固定6處安裝孔位的各點(diǎn)變形

圖10 兩種安裝孔組合的結(jié)果比較

在都符合要求的情況下，基于一般的安裝便利性，選擇了A、B、C、I、F組合，并最終在實(shí)際的產(chǎn)品中得到了驗(yàn)證，優(yōu)化到此結(jié)束。

4 結(jié) 語

針對(duì)PCB板的安裝孔位的優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文利用ANSYS進(jìn)行簡化的最大翹曲分析，確保PCB板翹曲滿足電路板設(shè)計(jì)的翹曲要求，結(jié)合實(shí)際安裝條件及接插件布局，最終縮減安裝孔數(shù)量，并得到優(yōu)化的安裝孔孔位。