ANSYS Sherlock: комплексный инструмент анализа надежности электроники

Аватар пользователя Ruslan Abdrahimov
0 488

По мере усложнения систем, внедрение и освоение мультифизических инструментов становится все более распространенным явлением. Часто эти инструменты выступают в качестве препроцессора и специализированного интерфейса для соединения воедино других приложений или моделей базового уровня. Это то, что делает ANSYS Sherlock для печатных плат, уделяя особое внимание надежности изделия посредством подробного описания жизненного цикла.

В идеальном случае пользователь уже располагает скомпилированным подробным архивом ODB ++, содержащим всю необходимую информацию о модели. Для Sherlock, это включает файлы .odb для каждого слоя печатной платы, шелкографии, список компонентов, их местоположения, разделенные верхней/нижней поверхностью, местоположения отверстий, карты паяльной маски, точки монтажа и контрольные точки. Это обеспечило бы максимально упрощенный процесс проектирования печатных плат с применением анализа надежности, хотя любой из этих компонентов можно импортировать по отдельности.

Эти данные в сочетании с обширной библиотекой компонентов микросхем позволяют Sherlock сгенерировать трехмерную модель, состоящую из элементов, которые можно проверить по спискам деталей и свойствам материала. Включение паяльной маски и слоев шелкографии также обеспечивает удобную выборочную проверку местоположения и ориентации компонентов. Если что-то из этого отличается от ожидаемого, или если необходимо провести исследования конструкции и оптимизации, можно добавить новые компоненты, а существующие могут быть удалены, заменены или полностью отредактированы в Sherlock.

 

Рисунок 1 - Средство просмотра и редактирования 2D-слоев. Каждый слой может быть включен/выключен, а компоненты могут быть переставлены

 

Хотя некоторые из доступных расчетов зависят только от геометрии и описания компонентов (проверка деталей, анализ видов и последствий отказов (DFMEA), и оценка проводящих анодных нитей (CAF)), остальные некоторым образом связаны с концепцией описания жизненного цикла. Полный жизненный цикл может быть представлен жизненными стадиями, например, стадия эксплуатации, стадия монтажа, стадия транспортировки или простоя, которые могут содержать любое количество уникальных заданных событий. Sherlock поддерживает события вибрации (случайных и гармонических), механических ударов и тепловых событий. На каждом уровне для этих стадий и событий может быть задана общая продолжительность, количество циклов или коэффициент использования относительно их родительского представления. В самом представлении жизненного цикла общий срок службы и принятая вероятность отказа в пределах этого срока определяются для генерации окончательных показателей надежности. На рисунке 1 показан пример компоновки печатной платы, которая может быть частью системы транспортного средства, содержащей как усталостные, тепловые и вибрационные часто повторяющиеся события, так и редкие события удара.

 

Рисунок 2 - Жизненные циклы продукта разбиты на стадии, которые содержат события. Каждое событие настраивается через его продолжительность, частоту и профиль

 

Остальные типы анализа можно разделить на две категории: КЭ анализ и анализ конструктивных параметров. Моделирование на основе КЭ осуществляется путем создания трехмерной модели с детализацией и критериями сетки, определенными в Sherlock, которые затем передаются в ANSYS Mechanical для анализа. Sherlock предусматривает довольно много настроек на уровне предварительной подготовки; опции меню включают в себя различные методы и разрешения для печатной платы, явное моделирование следов и включение или исключение выводов, механических деталей и областей заливки, среди прочих.

 

Рисунок 3 - Слева показаны параметры 3D-модели, в середине – смоделированные выводы компонентов, а справа - готовая плата

 

Каждый из анализов МКЭ, случайная вибрация, гармоническая вибрация, механический удар и модальный анализ, соответствует системе анализа в ANSYS Workbench. Как только эти расчеты будут завершены, файл результатов считывается обратно в Sherlock, и значения деформации для каждого компонента извлекаются и применяются к моделям усталости Баскина или Коффина-Мэнсона в зависимости от каждого включенного события жизненного цикла.

Анализ конструктивных параметров деталей включают в себя анализ неисправностей компонентов для электролитических и керамических конденсаторов, износ полупроводников для полупроводниковых устройств и проблемы несоответствия коэффициента теплового расширения для сквозных отверстий с покрытием и усталости припоя. Эти решения гораздо более специфичны для компонентов в том смысле, что электролитический конденсатор подвержен совершенно разным режимам отказа, по сравнению с полупроводниками, и их включение позволяет учитывать широкий спектр физических аспектов в рамках печатных плат.

Результатом каждого типа анализа является, в конечном счете, прогнозирование срока службы для каждого компонента в виде кривой вероятности отказов, наряду с оценкой времени до отказа. Кривые каждого компонента затем объединяются в прогнозирование срока службы для всей сборки печатной платы в рамках одного анализа отказов.

 

Рисунок 4 - Результаты анализа для усталости припоя, включая обзор количества деталей в каждом диапазоне оценки, а также подробное разделение оценок для каждого компонента платы

 

На следующем шаге, результаты каждого анализа объединяются в общий прогноз жизни для печатной платы, который охватывает все представленные жизненные события. Из рисунка 5 мы можем увидеть, что прогнозирование срока службы для этой платы не совсем соответствует 5-летнему требованию, и что наиболее проблемные области - это усталость припоя и усталость сквозных отверстий. Поскольку Sherlock позволяет легко идентифицировать их как проблемные зоны, мы могли бы повторить этот анализ, пересмотрев степень или частоту примененных тепловых циклов или скорректировав некоторые из выбранных материалов платы, чтобы минимизировать несоответствие тепловому коэффициенту расширения.

 

Рисунок 5 - Комбинированные прогнозы усталости для всех анализов отказов и событий

 

Удобство ANSYS Sherlock для задания этапов и событий жизненного цикла, наряду с широким разнообразием доступных компонентов и анализа отказов, действительно делают Sherlock всеобъемлющим инструментом обеспечения надежности электроники. Как и в большинстве анализов, качество результатов по-прежнему зависит от качества входных данных, но контроль и перекрестные проверки компонентов и событий жизненного цикла, идущие вместе с набором инструментов первичной подготовки Sherlock, существенно помогают в этом.

 

Оригинал статьи: ANSYS Sherlock: A Comprehensive Electronics Reliability Tool

Автор: Josh Stout

 

Добавить комментарий

Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии