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    印制電路板模型建立與優(yōu)化

    2017-04-23 23:49:23呂俊杰
    電子技術(shù)與軟件工程 2017年5期
    關(guān)鍵詞:可靠性建模有限元

    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.

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