热循环、振动、机械冲击和跌落是电子故障的主要原因，但通过模拟和物理测试相结合可以提高可靠性。
特蕾莎·邓肯和迈克尔·布拉陶著
在设计印刷电路板(pcb)时，请记住电子故障的主要原因:热循环、振动和机械冲击和跌落。您可以执行各种物理测试，以确定电子设备如何以及为什么会出现故障，但是，PCB建模和仿真是一种更快且更具成本效益的解决方案。
当模拟与物理测试结合使用时(即，物理测试为模拟结果量身定制，只需要一两次测试)，您的电子产品的可靠性几乎可以得到保证。
在优化PCB振动设计时，第一步是确定PCB的固有频率范围。为此，您需要进行模态分析或固有频率分析。
振动分析实例
在下面的示例中，您将看到PCB的振动分析，其中电路板底部附近有三个高风险组件，其中安装点附近有应变和更大的组件。为了优化设计，您可以删除中心安装点并添加两个安装点，这将减轻压力并解决一个组件问题。
图1:Ansys Sherlock中PCB的振动分析。高危组件有3个(U20、U33、U34)。
接下来，您可以向其余两个高风险组件添加胶粘剂，以提供额外的组件支持并减轻一些压力。
图2:组件U20问题通过移除中心挂载点并增加两个附加挂载来解决。
您还可以考虑将较大的组件移离高应变区域(如安装点，大型部件之间或附近的区域，或V-score分离区附近)，并将应变敏感组件(如bga，陶瓷电容器和qfn)移离高应变区域。这将确保您的PCB设计针对随机和谐波振动进行优化。
图3:图2中的U33和U34组件通过胶粘桩分解。
图4:机械冲击加速度随时间变化的曲线图。
机械冲击发生时，有一个突然的和不规则的加速度，引起机械位移。更具体地说，它发生的时间小于20毫秒，加速度至少为10g，发生的次数少于10万次。
在设计冲击PCB时，一个很好的经验法则是电路板的谐振频率应该至少比冲击脉冲频率高3倍。
例如:10ms脉冲
图5:激波脉冲频率与谐振频率的关系式。
为了减轻机械冲击和跌落造成的PCB故障风险，您可以使用许多策略，包括:
激励减少
组件级别
PCB设计
温度循环是电子故障最常见的原因。它通常是由PCB组件和电路板之间的热膨胀系数(CTE)不匹配引起的。元件与电路板之间的CTE不匹配越大，焊点失效的可能性就越大。
但是，局部事件也可能导致失败。例如，在汽车电子产品中，PCB经常被过度约束在铝外壳中。PCB的冷侧会收缩，或热侧会膨胀，或两者都有，导致电路板屈曲。
为了分析这样的局部事件，您通常希望运行应变与应变比较，这是对没有壳体的板的分析，以及对壳体内板的另一种分析。这将有助于确定由于底盘/外壳引起的铅应变的增加。
热分析实例
下面的例子显示了一个没有机箱的板的分析。你可以看到张力在bga上。
图6:PCB在Ansys Sherlock中的热力学分析(不含外壳)。
我们对板子的外壳进行了分析，你可以看到拉力增加了一倍。
图7:在Ansys Sherlock中PCB的热力学分析(带外壳)。
表1:图9在Ansys Sherlock中对5个有风险部件的焊接疲劳可靠性预测。
在上面的表1中，您可以看到Sherlock提供的焊接疲劳可靠性预测。将单板安装在机箱中会增加单板故障的风险。为了降低这些风险，您需要考虑不同的底盘材料、不同的PCB安装点、粘合剂桩或其他组件位置。
正如这里分享的三个例子所示，在设计振动、冲击和热环境的电路板时，您可以做出的最重要的设计决策是:
模拟这些环境因素将减少测试迭代和设计时间，并对产品的可靠性和寿命提供有价值的见解。
Michael Blattau是Ansys可靠性工程服务团队的高级咨询工程师。他是一名机械工程师，在外壳设计、电路板布局、热设计、3D板建模、塑料外壳设计、钣金设计等方面拥有超过15年的经验。
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