电子产品的结构与热可靠性设计

1、电子产品的结构与热可靠性设计目录电子产品可靠性设计趋势ANSYS电子产品可靠性设计平台案例分享2电子产品的驱动力 & 趋势摩尔定律晶体管体积更小，数量更多 提高数据速率带宽更大功耗管理功耗更少，功能更多 无线 / 移动连接随时随地保持连接降低成本价格必须下降3绿色设计/ 生产倡议生态友好 产品生命周期更短创新 / 击败的竞争媒体和数据融合24/7 资讯娱乐 产品质量声誉法规 / 可靠性政府授权智能化设计趋势Smart MobileSmart TVSmart CarSmart HomeSmart GridSmart BioSmart Card4世界本身就是多物理场的5电子产品可靠性设计挑战电磁信

2、号质量供电稳定性电磁辐射限抗干扰结构结构强度受热变形结构振动疲劳寿命跌落碰撞流体散热器管理粉尘潮湿6电子产品可靠性设计ICPCB天线部件设备消费电子产品控制箱供电系统应用环境太空高温高湿7真实世界操作条件 = 多物理环境电子产品可靠性设计方法热分析热应力分析结构可靠性设计迭代电源和型号完整性分析电阻损耗 温度温度热可靠性电可靠性8ANSYS 电子产品可靠性仿真平台Sentinel-TIThermal TotemAnalog/IPPowerArtistRTLRedHawkSoCANSYS Enterprise封装及PCB结构应力分析ANSYS Ls-Dyna跌落及碰撞分析ANSYS nCode

3、Designlife热应力及疲劳分析Icepak：电子设备散热分析工具散热方式选择散热流量分析散热效果评估SIwave/HFSS/Q3D： 封装 PCB 电磁仿真工具封装/PCB/天线部件电磁性能分析设备及部件工况模拟EMC分析Icepak/Flunt：复杂应用环境模拟器件与系统地的潮湿、凝露、灰尘堆积太空环境Svant：复杂电磁环境模拟设备装载效应复杂电磁环境半导体部件 与设 备应用环境9ANSYS 电子产品可靠性仿真平台ANSYSs SolutionsIC功耗控制IC ESD控制IC散热分析封装/PCB 翘曲分析 封装/PCB分层封装/PCB塑形形变 封装/PCB蠕变封装/PCB开裂焊点热

4、力疲劳 振动变形振动疲劳跌落碰撞 热烧蚀破坏散热方式选择散热器件选择散热流量分析散热风道设计散热效果分析复杂环境凝露、粉尘分析复杂高温、高湿环境分析ANSYS 电子产品可靠性仿真平台部件设备应用环境10PCB焊球热力寿命分析PCB带预应力随机振动分析PCB跌落碰撞分析PCB及封装结构电热应力协同仿真电热协同设计11案例分享1. PCB板热力寿命分析PCB板热应力分析121. PCB板热力寿命分析焊球疲劳分析使用Darveaux 模型寿命预测使用ACT开发工具13几何选择以前使用命令片段优势:不需要懂APDL commands材料裂纹萌生、扩 展材料参数循环次数和焊球直径ACT Extensio

5、n14疲劳计算流程1. PCB板热力寿命分析疲劳计算结果结果表格15等效塑性应变封装模型导致疲劳破坏次数1. PCB板热力寿命分析带预应力随机振动2. PCB带预应力随机振动分析目的：在湿热应力作用下，研究PCB随机振动下应力、变形分布16带预应力随机振动2. PCB带预应力随机振动分析17带预应力随机振动2. PCB带预应力随机振动分析18带预应力随机振动2. PCB带预应力随机振动分析19带预应力随机振动还可以将随机振动结果 导入到疲劳分析模块 ANSYS nCode DesignLife中进行疲劳分析2. PCB带预应力随机振动分析203. PCB跌落碰撞分析PCB及连接器件地面，简化为

6、 刚性体仿真PCB从1.6m高处跌落，与地面碰撞过程；在SpcaeClaim中进行模型检查修复，工艺特征去除；几何模型21载荷、边界条件设置根据能量守恒定律推导V=2，h=1.6m，所以跌落速度为5.6m/s；在ANSYS中可以设置多种网格控制方法，可生成高质量网格。3. PCB跌落碰撞分析22求解结果总体变形结果(3X)等效应力结果(3X)3. PCB跌落碰撞分析234层有traces, 中心孔和电流源电路元件的印制电路板4. PCB及封装结构电热应力协同仿真PCB 模 型 - SIwave24材料性能25CopperElectrical Conductivity （电导率）= 5.8e7

7、S/m Thermal Conductivity （热导率）= 401 W/(m C) Resistivity（电阻率） = 1.724e-8 ohm-mFR4_epoxyRelative Permittivity（相对介电常数） = 4.4Thermal Conductivity （热导率）= 0.38, 0.38 0.30 W/(m C)功率分布- SIwave26导出功率分布 - SIwave (新功能)导出功率分布，会产生 cdb 和 epwr 文件，这两个文件在Mechanical中 使用 External Data 导入焦耳热时会 用到27导出功能- SIwave转为 ANF转为

8、ACIS28ANF格式几何模型 - SpaceClaim (新功能版图几何外形(从SIwave 导出的ACIS文件)层拓扑结构(从Siwave导出ANF文件 )中心孔几何结构29ANF 格式文件让ECAD模 型转为3D实体模型更容易热仿真- WB 文件结合SIWave中导出的热源，使用PCB版图几何外 形进行热仿真结合SIWave中导出的热源，使用PCB版图拓 扑结构进行热仿真PCB版图几何外形使用在 thermal-electric 仿真模块中30Trace Mapping - External Data从SIwave 导出的ANF 格式文件用于PCB层拓扑结 构的热分析31中心孔- Mec

9、hanical (新功能)用于PCB层拓扑结构的热分析32Trace Map 金属比例- Mechanical33边界条件 - MechanicalThermal：层几何外形模型34Thermal-Electric ：层几何外形模型Thermal ：层拓扑trace map 模型热映射- External Data从SIwave 导出的 cdb andepwr 文件用于：热层几何外形模型 和热层拓 扑trace map 模型35热载荷(Thermal Model)数据传递小结:热能量映射到 trace 和 过孔结构上人为设置映射比例 为1.0并忽略trace 和过孔结构外的热 能36热结果(T

10、hermal-Electric Model)导体上的焦耳热热对流面上的反应热37热载荷(Thermal Trace Map Model)热能量传递小结:热能量映射到所有模型上手动设置比例系数为1.12，忽略trace 和 过孔结构外的热能需要调整系数和Thermal- Electric Model 0.57W吻合38热结果对比thermal model：使用几何外形结构和Siwave中导入热源thermal-electric model：使用几何外形结构的结果thermal model：使用拓扑结构和Siwave中导入热源39温度 - Mechanicalthermal model：使用几何外

11、形结构和Siwave中导入热源40thermal-electric model：使用几何外形结 构的结果thermal model：使用拓扑结构和Siwave中导入热源5.电热协同设计-壳体屏蔽效应 vs 通风孔缝Thermal通风孔和风扇可能成为泄漏途径电磁屏蔽与散热应进行协同设计3米辐射场结果可评估屏蔽效能结构场分布可直观展示能量传播EMIBadEMIGood41改变设计优化辐射发射19mmX2.54mm Slots2.574mm diameter circles5.17GHz EMI Violation at 3 Meters42BeforeAfter表面电流分布 5.17 GHz43B

12、eforeAfter电场分布 5.17 GHz44EMI 3 meter emission report45EMI 已得到抑制，但这样就可以了吗？风扇旋转速度 3500 RPM模型参数化，寻找最高温度低于110时，CPU 最大稳态功率最终选择 Power = 6 W原始机箱结构散热分析Original Box GeometryPower Parametric Results46原始机箱结构散热分析 247Thermal and Flow Results for 3500 RPM and 6 WEMI 优化设计结构的散热分析对于满足 EMI 指标的机箱需要进行重新的 散热设计6W功率下，风扇转速需要优化Icepak 进行参数化扫描分析步进500RPM目标温度110要求转速在45005000RPMAltered Box GeometryRPM Parametric Results48EMI 优化设计结