ANSYS Sherlock, Icepak и Mechanical для оценки надежности электронных систем в автономных транспортных средствах

В статье рассматривается рабочий процесс на примере тестового проекта, включающего сборку печатной платы (PCBA), установленную в верхней части транспортного средства на алюминиевом основании в крупном корпусе. В этом примере используется плата Intel Galileo, PCBA с открытым исходным кодом.

Дополнительные условия:

• Исследуется естественная и вынужденная воздушная конвекция
• Приложение для беспилотного такси
• Предполагается, что автомобиль находится в рабочем состоянии примерно 15 часов каждый день.
• Жилые дороги
• Частые выбоины

Описание методологии:

1. Для стартовой точки используется начальная модель в ANSYS Sherlock. Sherlock позволяет быстро создавать модели с использованием файлов электронного компьютерного проектирования (ECAD) и имеет важные инструменты очистки модели, которые помогают перейти от ECAD к модели автоматизированного проектирования (CAD), пригодной для использования в конечно-элементном анализе (FEA) или вычислительной гидродинамике (CFD).

 

 

Рисунок 1. 2D вид слоя PCBA в ANSYS Sherlock

2. После того, как печатная плата будет построена ANSYS Sherlock, ее можно экспортировать непосредственно в ANSYS Workbench. ANSYS Sherlock автоматизирует множество функций, чтобы облегчить создание функциональной FEA модели, включая фильтрацию размеров деталей, включение/отключение выводов компонентов, фасетирование тел для упрощения создания сеточной модели, а также создание и назначение свойств материалов.

 

Рисунок 2. Интерфейс экспорта модели в ANSYS Sherlock

 

Рисунок 3. Подготовленный проект ANSYS Workbench из ANSYS Sherlock

 

3. Имея модель PCBA в ANSYS Workbench, пользователи могут вносить изменения в геометрию, например добавлять элементы корпуса или другие конструкционные детали. Рекомендуется создать копию модели, чтобы разные версии модели можно было использовать в ANSYS Icepak и Mechanical. Это связано с тем, что построение сетки и решение выполняются по-разному для CFD и FEA, модели, как правило, имеют небольшие геометрические различия в зависимости от того, какой инструмент используется.

 

Рисунок 4: Геометрия печатной платы в ANSYS Sherlock (вверху слева) и печатная плата после добавления корпуса в ANSYS Spaceclaim.

 

4. В этом примере используется Ansys Electronics Desktop (AEDT) для проведения итерационного теплового анализ PCBA в ANSYS Icepak и ANSYS HFSS:

• Только естественная конвекция.
• Принудительная конвекция с тремя вентиляторами 3 CFM.

 

Рассеиваемая мощность применяется к нескольким критически важным компонентам, предполагается, что температура окружающего воздуха 20 C внутри большого корпуса.

 

5. ANSYS Icepak используется для расчета градиентов температуры по печатной плате; однако он не учитывает потери мощности внутри печатной платы, которые иногда могут приводить к значительному повышению температуры. Инструмент ANSYS HFSS 3D layout используется для расчета температурно-зависимых потерь внутри печатной платы.

 

Рисунок 5: Определенные потери от растекания тока по полигонам питания в ANSYS HFSS

 

6. Потери затем отображаются как тепловые нагрузки в Ansys Icepak и участвуют в тепловом решении для более точного расчета градиентов температуры платы для вынужденной и естественной конвекции. Результаты термической надежности и надежности PCBA с учетом и без учета расчета потерь в полигонах ANSYS HFSS DCIR представлены здесь, чтобы показать их потенциальную значимость. Как показано в приведенных ниже результатах, потери DCIR возникают из-за локального повышения плотности тока, которая увеличивает температуру в некоторых точках на печатной плате:

 

Рисунок 6: Результаты расчета температурного градиента в ANSYS Icepak с вынужденной конвекцией.

 

Рисунок 7: Результаты расчета температурного градиента в ANSYS Icepak с естественной конвекцией.

 

7. Полученные тепловые карты можно импортировать обратно в Sherlock для количественной оценки риска усталостного разрушения припоя, связанного с циклическим переключением питания. Профиль здесь предполагает один цикл питания в день, что приводит к одному значительному колебанию температуры.

 

Рисунок 8: Цикл включения питания

8. Анализ в ANSYS Sherlock показывает риск усталости припоя в результате колебаний температуры при нагреве и остывания платы во время ежедневного включения и выключения питания:

 

Все компоненты проходят критерии при работе на естественной конвекции без учета тепловыделения в полигонах питания

 

Некоторые компоненты не проходят критерии при работе на естественной конвекции с учетом тепловыделения в полигонах питания

 

Рисунок 9: Определение усталости припоя в ANSYS Sherlock при естественной конвекции.

​​​​​​​

Анализируя результаты, можно отметить, что без использования вентиляторов, анализ ANSYS Icepak, сборка PCBA будет соответствовать поставленным целям надежности при заданных нагрузках и рабочем цикле, хоть и с небольшим запасом.

Однако, когда учитываются потери DCIR полигонов, дополнительный нагрев приводит к тому, что печатная плата не достигает своей цели надежности. Риску отказа в большей степени подвержен большой BGA в центре платы. Этот потенциальный риск отказа, не был бы правильно идентифицирован без включения модуля ANSYS HFSS в этот рабочий процесс.

 

9. Результаты показывают, что вариант с естественной конвекцией, вероятно, не будет надежным. Исследуется более перспективный вариант по надежности с вынужденной конвекцией.

​​​​​​​

Все компоненты проходят критерии при работе с вынужденной конвекцией без учета тепловыделения в полигонах питания

 

Все компоненты проходят критерии при работе с вынужденной конвекцией с учетом тепловыделения в полигонах питания

 

 

10. С использованием вентиляторов для вынужденной конвекции, целевая надежность печатной платы достигается со значительным запасом независимо от учета DCIR в тепловом анализе. Вариант с использованием вентиляторов предотвратит усталость припоя, но, возможно, он слишком перепроектирован. Возможно, радиатор, установленный на мощном BGA в центре платы, который является основным источником тепловыделения, снизит температуру настолько, чтобы предотвратить риск отказа даже без использования вентиляторов. В дальнейшей работе по анализу надежности платы предполагается вынужденная конвекция с использованием вентиляторов. Это гарантировано предотвратит усталость припоя, связанную с термоциклированием, но это только частичный риск отказа, связанный с температурой.

 

11.  Для того, чтобы полностью оценить влияние повышения температуры, CFD результаты из ANSYS Icepak должны быть использованы в качестве исходных данных для конструкционного FEA анализа. Это необходимо для правильного учета ограничивающих условий при расширения печатной платы внутри ее корпуса и изгибов, скручиваний от температурных градиентов, приводящих к несогласованности скоростей расширения компонентов и платы.

 

12. Для анализа удара при выбоине температурное поле поэлементно передается в Ansys Mechanical и используется как начальное условие.

​​​​​​​

Рисунок 10. Передача теплового поля из ANSYS Icepak в ANSYS Mechanical.

 

Рисунок 11. Температурный градиент платы в ANSYS Mechanical.

13. Конструкционный анализ FEA используется для количественной оценки влияния нагрузки на PCBA при попадании автомобиля в выбоину. Предполагается, что печатная плата находилась в рабочем состоянии и температурный градиент используется в качестве предварительной нагрузки перед приложением ударной нагрузки на выбоине.Нагрузка от выбоины аппроксимирована полусинусоидальным импульсом 25G длительностью 10 мс. Полученные пиковые напряжения в PCBA показаны ниже.

​​​​​​​

Рисунок 12. Результаты расчета механических напряжений от удара в ANSYS Mechanical.

 

14. Результаты напряжений импортируются из ANSYS Mechanical в ANSYS Sherlock и используются для прогнозирования надежности (вероятности отказа). Возвращаясь к началу, предполагается, транспортные средства будут преодолевать 3 выбоины в час, работая 15 часов в день в течение 2 лет. В этом анализе, даже с учетом деформаций теплового расширения, ни для одного компонента не выявлен риск отказа. Плата Galileo представляет собой относительно небольшую толстую печатную плату, благодаря чему она достаточно хорошо выдерживает ударные нагрузки.

 

 

Заключение

Предложенная методология процесса анализа PCBA показывает, как совместный анализ теплового состояния, растекания тока, конструкционного моделирования и оценка надежности на этапе проектирования может предоставить важную информацию об ожидаемом поведении и времени жизни электронного продукта.

Этот междисциплинарный рабочий процесс может включать дополнительные инструменты моделирования для дальнейшего уточнения прогнозов надежности, такие как решения цифровых двойников для анализа прогнозируемой надежности в режиме реального времени отдельно-взятых компонентов.

Следует отметить, что для тестовой модели были сделаны некоторые потенциально значимые консервативные предположения в отношении исходных данных компонентов, такие как свойства материалов компонентов и PCBA. В результате эти прогнозы могут не отражать точное поведение надежности платы Galileo в этих условиях. Следующим шагом для этой задачи после принятия некоторых проектных решений может быть уточнение расчетов и получение результирующих прогнозов надежности с испытаниями материалов.​​​​​​​