ANSYS R17 - новый подход в междисциплинарном моделировании печатных плат

При разработке печатной платы (ПП) разработчик всегда должен уделять особое внимание такому физическому явлению как тепловое напряжение. Термические циклы могут создавать напряжение в самой печатной плате из-за разницы в коэффициентах теплового расширения (КТР) меди и эпоксидной смолы которая обычно используется при изготовлении печатной платы. При цикличном изменении температуры, припой в виде шариков, который обеспечивает контакт между печатной платой и корпусом интегральной схемы (ИС) то растягивается и сжимается. Это может послужить причиной нарушения контакта микросхем с ПП, что приведёт к отказу электрического устройства. Разница в КТР между керамическим корпусом микросхемы и печатной платы может создавать дополнительную деформацию платы.

Повреждения, возникающие вследствие вышеописанных выше физических процессов и приводящие в конечном итоге к отказу электроники, это не просто неприятность: это может иметь катастрофические последствия. При выяснении причин крушения самолета компании AirAsia в декабре 2014 года на борту которого находились 162 пассажира, исследователи пришли к выводу что всему виной стала треснувшая пайка.

До недавнего времени не существовало возможности точно моделировать величину тепловой деформации из-за сложной конструкции ПП. Инженеры могли лишь определить точечные источники тепла получая эту информацию от фирмы-изготовителя электронных компонентов и использовать ANSYS SIwave для расчета джоулева нагрева в дорожках и переходных отверстиях печатных плат. Затем они могли использовать эти источники тепла в качестве входных данных для моделирования в ANSYS Icepak, и определить температурные поля вокруг платы. Кроме того, они могли бы применять эти температурные поля в качестве исходных данных при моделировании ПП в ANSYS Mechanical с целью прогнозирования деформации при её производстве и при её работе. Тем не менее, точное определение механических свойств полной геометрии ПП, включая все металлизированные дорожки и межслойные соединения, не представлялось возможным. Полученная модель была настолько сложна и велика, что она не может быть проанализирована в приемлемые сроки.

На данный момент компания ANSYS преодолела эти сложности изменив методологию в междисциплинарных расчётах. Изменения заключаются в упрощении геометрии печатной платы, но в то же время точность определения свойств материалов в любой точке, используемых при анализе при таком подходе остаётся очень высокой. Поэтому этот метод очень эффективен для моделирования поведения печатных плат при тепловой нагрузке.

Моделирование на постоянном токе (DC анализ).

Первый шаг заключается в использовании ANSYS SIwave для вычисления плотности DC токов и напряжений по всей печатной плате, которая, в свою очередь, определяет джоулев нагрев. Именно джоулев нагрев чаще всего становится важным источником тепловой нагрузки на печатных платах, так как размеры плат уменьшаются (стремление минимизировать устройство), а потребление энергии остается стабильным или повышается.

Моделирование тепловых процессов.

С выпуском ANSYS 17.0, ANSYS SIwave и ANSYS Icepak получили автоматический двунаправленный интерфейс связи, что естественно упростит задачу определения джоулева нагрева. Такой интерфейс связи позволяет импортировать подложку ПП, карту трассировки и вычисленную в Siwave плотность тока, а также устанавливать тепловые граничные условия для Icepak, который использует карту трассировки для расчета ортотропной теплопроводности печатной платы. Это очень важно, потому что большая часть тепла, вырабатываемого на ПП рассеивается с помощью конвекции или излучения от самой платы. Icepak решает уравнения потока жидкости и включает в себя все виды теплообмена - проводимость, конвекция и излучение – для вычисления температуры в каждой точке области решения. После вычисления температуры она передаётся из Icepak обратно в SIwave, где происходит обновление электрических свойств и далее уже с учетом этих обновлений пересчитывается плотность тока, которая снова экспортируется в Icepak. Этот итерационный процесс продолжается до тех пор, пока не будет достигнута сходимость.

Подготовка геометрии

Следующим шагом является подготовка геометрии модели для расчета деформаций и напряжений. Делается это посредством ANSYS SpaceClaim. Данная программа преобразует импортированную ECAD геометрию (прим. так называемая геометрия из электрических CAD – Altium Designer, Cadence, Mentor Graphics и т.д.) в 3-D упрощённую слоистую геометрию.

Эта геометрия затем передается в ANSYS Mechanical, где благодаря подготовленной ранее слоистой структуре геометрии легко строится сетка. Каждый слой может иметь комбинацию из металла и диэлектрика. Сетка строится по-особому “умному” алгоритму. Некоторые элементарные ячейки сетки могут располагаться полностью на металлизированных частях платы, другие полностью на диэлектрических частях, а третьи могут располагаться и на металле, и на диэлектрике. Более высокая плотность сетки позволяет получить более точное представление модели, но естественно, время вычислений тоже возрастёт.

Расчёт термомеханических напряжений и деформаций.

Полученная модель с сеткой является основой для моделирования деформации и термических напряжений, количественные значения которых могут быть получены для любой точки анализируемой области. Зная эти величины, инженеры могут определить, критичные места модели, в том числе с учетом мест крепления, например, таких как припой в виде шариков, который обеспечивает контакт между ПП и корпусом ИС. Инженер может выполнять динамический анализ для определения модальных частот, а также оценить эффекты, связанные со случайной вибрацией ПП с учётом тепловой нагрузки.

Заключение

Вышеописанный подход междисциплинарного моделирования позволяет инженерам с первого раза и точно выявить все негативные эффекты связанные с влиянием изменения температуры на печатную плату, предложить возможные решения проблем задолго до того, как ПП будет изготовлена. Понимая влияние тепловой нагрузки на структурную целостность и надежность платы на ранних стадиях процесса проектирования, инженеры будут разрабатывать устройства, которые будут более надёжны.