优化您的PCB振动，冲击和热环境

在设计印刷电路板(pcb)时，要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来确定电子设备故障的方式和原因，但是，更快且更具成本效益的解决方案是PCB建模和仿真。

当模拟与物理测试结合使用时(即，当物理测试针对模拟结果进行调整并且只需要一两个测试时)，您的电子产品的可靠性几乎可以保证。

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振动PCB设计优化

优化PCB振动设计时，第一步是确定PCB的固有频率范围。要完成PCB振动测试，您需要执行模态分析或固有频率分析，可以使用以下振动仿真工具确定Ansys夏洛克或Ansys机械．

振动分析实例

在下面的示例中，您将看到PCB振动分析，其中在电路板底部附近有三个高风险组件，在安装点和较大组件附近有应变。为了优化设计，您可以移除中心安装点并增加两个安装座，这将缓解压力并解决组件问题之一。

图2:Ansys Sherlock中的PCB振动分析。
高危组件有3个(U20, U33, U34)

接下来，您可以在剩余的两个高风险组件上添加粘合剂桩，以提供额外的组件支持并减轻一些压力。

图3:通过移除中心来解决组件U20问题
安装点和添加两个额外的坐骑

您还可以考虑将较大的组件从高应变区域(如安装点，大型部件之间或附近的区域，或V-score分离附近)移开，并将应变敏感组件(如bga，陶瓷电容器和qfn)远离高应变区域。这将确保您的PCB设计针对随机和谐波振动进行了优化。

图4:图2中的部件U33和U34采用胶粘桩解决

看“冲击，振动和热负载的PCBA设计，以了解更多信息。

冲击PCB设计优化

图6:冲击脉冲频率与谐振频率方程

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

减震器(主要用于大型电子组件)

外部缓冲(手机壳、保险杠)

弹出质量(电池弹出)

• 组件级别

组件选择

陶瓷电容器上的柔性端子

含铅的部分

成键

填充不足/封边/铆合

• PCB设计

PCB厚度

挂载点位置

与我们的可靠性专家交谈，了解更多有关故障分析的信息。

热环境下PCB设计优化

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。

下载《热管理解决方案:多热才算太热》白皮书了解更多信息。

然而，故障也可能是由局部事件引起的。例如，在汽车电子中，PCB在铝制外壳内经常受到过度约束。PCB板的冷侧会收缩，或热侧会膨胀，或两者兼而有之，导致板屈曲。

为了分析像这样的局部事件，您通常需要运行应变与应变比较，这是对没有外壳的电路板的分析和对外壳内的电路板的另一种分析。这将有助于确定由于底盘/外壳导致的引线应变的增加。

PCB热分析示例

下面的示例显示了对没有机箱的电路板的分析。你可以看到压力在bga上。

图7:Ansys Sherlock中PCB的热力学分析(不带外壳)

我们对板子的外壳进行了分析，你可以看到压力增加了一倍。

图8:PCB在Ansys Sherlock中的热力学分析(含外壳)

表1:图9在Ansys Sherlock中的焊料疲劳可靠性预测
有5个危险成分

在上面的表1中，可以看到焊接疲劳夏洛克提供的可靠性预测。将单板安装在机箱中会增加单板故障的风险。为了减轻这些风险，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，冲击和热环境下的电路板时，您可以做出的最重要的设计决策是:

• 确保应变敏感部件从高应变区域移除。
• 移动您的安装点，以减轻对板和组件的压力。
• 仔细选择材料。

模拟这些环境因素将减少测试迭代和设计时间，并为您的产品的可靠性和使用寿命提供有价值的见解。