電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與熱可靠性設(shè)計

1、電子產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與熱可靠性設(shè)計目錄電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計趨勢ANSYS電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計平臺案例分享2電子產(chǎn)品的驅(qū)動力 & 趨勢摩爾定律晶體管體積更小，數(shù)量更多 提高數(shù)據(jù)速率帶寬更大功耗管理功耗更少，功能更多 無線 / 移動連接隨時隨地保持連接降低成本價格必須下降3綠色設(shè)計/ 生產(chǎn)倡議生態(tài)友好 產(chǎn)品生命周期更短創(chuàng)新 / 擊敗的競爭媒體和數(shù)據(jù)融合24/7 資訊娛樂 產(chǎn)品質(zhì)量聲譽(yù)法規(guī) / 可靠性政府授權(quán)智能化設(shè)計趨勢Smart MobileSmart TVSmart CarSmart HomeSmart GridSmart BioSmart Card4世界本身就是多物理場的5電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計挑戰(zhàn)電磁信

2、號質(zhì)量供電穩(wěn)定性電磁輻射限抗干擾結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度受熱變形結(jié)構(gòu)振動疲勞壽命跌落碰撞流體散熱器管理粉塵潮濕6電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計ICPCB天線部件設(shè)備消費(fèi)電子產(chǎn)品控制箱供電系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境太空高溫高濕7真實(shí)世界操作條件 = 多物理環(huán)境電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計方法熱分析熱應(yīng)力分析結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計迭代電源和型號完整性分析電阻損耗 溫度溫度熱可靠性電可靠性8ANSYS 電子產(chǎn)品可靠性仿真平臺Sentinel-TIThermal TotemAnalog/IPPowerArtistRTLRedHawkSoCANSYS Enterprise封裝及PCB結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析ANSYS Ls-Dyna跌落及碰撞分析ANSYS nCode

3、Designlife熱應(yīng)力及疲勞分析Icepak：電子設(shè)備散熱分析工具散熱方式選擇散熱流量分析散熱效果評估SIwave/HFSS/Q3D： 封裝 PCB 電磁仿真工具封裝/PCB/天線部件電磁性能分析設(shè)備及部件工況模擬EMC分析Icepak/Flunt：復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境模擬器件與系統(tǒng)地的潮濕、凝露、灰塵堆積太空環(huán)境Svant：復(fù)雜電磁環(huán)境模擬設(shè)備裝載效應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境半導(dǎo)體部件 與設(shè) 備應(yīng)用環(huán)境9ANSYS 電子產(chǎn)品可靠性仿真平臺ANSYSs SolutionsIC功耗控制IC ESD控制IC散熱分析封裝/PCB 翹曲分析 封裝/PCB分層封裝/PCB塑形形變 封裝/PCB蠕變封裝/PCB開裂焊點(diǎn)熱

4、力疲勞 振動變形振動疲勞跌落碰撞 熱燒蝕破壞散熱方式選擇散熱器件選擇散熱流量分析散熱風(fēng)道設(shè)計散熱效果分析復(fù)雜環(huán)境凝露、粉塵分析復(fù)雜高溫、高濕環(huán)境分析ANSYS 電子產(chǎn)品可靠性仿真平臺部件設(shè)備應(yīng)用環(huán)境10PCB焊球熱力壽命分析PCB帶預(yù)應(yīng)力隨機(jī)振動分析PCB跌落碰撞分析PCB及封裝結(jié)構(gòu)電熱應(yīng)力協(xié)同仿真電熱協(xié)同設(shè)計11案例分享1. PCB板熱力壽命分析PCB板熱應(yīng)力分析121. PCB板熱力壽命分析焊球疲勞分析使用Darveaux 模型壽命預(yù)測使用ACT開發(fā)工具13幾何選擇以前使用命令片段優(yōu)勢:不需要懂APDL commands材料裂紋萌生、擴(kuò) 展材料參數(shù)循環(huán)次數(shù)和焊球直徑ACT Extensio

5、n14疲勞計算流程1. PCB板熱力壽命分析疲勞計算結(jié)果結(jié)果表格15等效塑性應(yīng)變封裝模型導(dǎo)致疲勞破壞次數(shù)1. PCB板熱力壽命分析帶預(yù)應(yīng)力隨機(jī)振動2. PCB帶預(yù)應(yīng)力隨機(jī)振動分析目的：在濕熱應(yīng)力作用下，研究PCB隨機(jī)振動下應(yīng)力、變形分布16帶預(yù)應(yīng)力隨機(jī)振動2. PCB帶預(yù)應(yīng)力隨機(jī)振動分析17帶預(yù)應(yīng)力隨機(jī)振動2. PCB帶預(yù)應(yīng)力隨機(jī)振動分析18帶預(yù)應(yīng)力隨機(jī)振動2. PCB帶預(yù)應(yīng)力隨機(jī)振動分析19帶預(yù)應(yīng)力隨機(jī)振動還可以將隨機(jī)振動結(jié)果 導(dǎo)入到疲勞分析模塊 ANSYS nCode DesignLife中進(jìn)行疲勞分析2. PCB帶預(yù)應(yīng)力隨機(jī)振動分析203. PCB跌落碰撞分析PCB及連接器件地面，簡化為

6、 剛性體仿真PCB從1.6m高處跌落，與地面碰撞過程；在SpcaeClaim中進(jìn)行模型檢查修復(fù)，工藝特征去除；幾何模型21載荷、邊界條件設(shè)置根據(jù)能量守恒定律推導(dǎo)V=2，h=1.6m，所以跌落速度為5.6m/s；在ANSYS中可以設(shè)置多種網(wǎng)格控制方法，可生成高質(zhì)量網(wǎng)格。3. PCB跌落碰撞分析22求解結(jié)果總體變形結(jié)果(3X)等效應(yīng)力結(jié)果(3X)3. PCB跌落碰撞分析234層有traces, 中心孔和電流源電路元件的印制電路板4. PCB及封裝結(jié)構(gòu)電熱應(yīng)力協(xié)同仿真PCB 模 型 - SIwave24材料性能25CopperElectrical Conductivity （電導(dǎo)率）= 5.8e7

7、S/m Thermal Conductivity （熱導(dǎo)率）= 401 W/(m C) Resistivity（電阻率） = 1.724e-8 ohm-mFR4_epoxyRelative Permittivity（相對介電常數(shù)） = 4.4Thermal Conductivity （熱導(dǎo)率）= 0.38, 0.38 0.30 W/(m C)功率分布- SIwave26導(dǎo)出功率分布 - SIwave (新功能)導(dǎo)出功率分布，會產(chǎn)生 cdb 和 epwr 文件，這兩個文件在Mechanical中 使用 External Data 導(dǎo)入焦耳熱時會 用到27導(dǎo)出功能- SIwave轉(zhuǎn)為 ANF轉(zhuǎn)為

8、ACIS28ANF格式幾何模型 - SpaceClaim (新功能版圖幾何外形(從SIwave 導(dǎo)出的ACIS文件)層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(從Siwave導(dǎo)出ANF文件 )中心孔幾何結(jié)構(gòu)29ANF 格式文件讓ECAD模 型轉(zhuǎn)為3D實(shí)體模型更容易熱仿真- WB 文件結(jié)合SIWave中導(dǎo)出的熱源，使用PCB版圖幾何外 形進(jìn)行熱仿真結(jié)合SIWave中導(dǎo)出的熱源，使用PCB版圖拓 撲結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱仿真PCB版圖幾何外形使用在 thermal-electric 仿真模塊中30Trace Mapping - External Data從SIwave 導(dǎo)出的ANF 格式文件用于PCB層拓?fù)浣Y(jié) 構(gòu)的熱分析31中心孔- Mec

9、hanical (新功能)用于PCB層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的熱分析32Trace Map 金屬比例- Mechanical33邊界條件 - MechanicalThermal：層幾何外形模型34Thermal-Electric ：層幾何外形模型Thermal ：層拓?fù)鋞race map 模型熱映射- External Data從SIwave 導(dǎo)出的 cdb andepwr 文件用于：熱層幾何外形模型 和熱層拓 撲trace map 模型35熱載荷(Thermal Model)數(shù)據(jù)傳遞小結(jié):熱能量映射到 trace 和 過孔結(jié)構(gòu)上人為設(shè)置映射比例 為1.0并忽略trace 和過孔結(jié)構(gòu)外的熱 能36熱結(jié)果(T

10、hermal-Electric Model)導(dǎo)體上的焦耳熱熱對流面上的反應(yīng)熱37熱載荷(Thermal Trace Map Model)熱能量傳遞小結(jié):熱能量映射到所有模型上手動設(shè)置比例系數(shù)為1.12，忽略trace 和 過孔結(jié)構(gòu)外的熱能需要調(diào)整系數(shù)和Thermal- Electric Model 0.57W吻合38熱結(jié)果對比thermal model：使用幾何外形結(jié)構(gòu)和Siwave中導(dǎo)入熱源thermal-electric model：使用幾何外形結(jié)構(gòu)的結(jié)果thermal model：使用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和Siwave中導(dǎo)入熱源39溫度 - Mechanicalthermal model：使用幾何外

11、形結(jié)構(gòu)和Siwave中導(dǎo)入熱源40thermal-electric model：使用幾何外形結(jié) 構(gòu)的結(jié)果thermal model：使用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和Siwave中導(dǎo)入熱源5.電熱協(xié)同設(shè)計-殼體屏蔽效應(yīng) vs 通風(fēng)孔縫Thermal通風(fēng)孔和風(fēng)扇可能成為泄漏途徑電磁屏蔽與散熱應(yīng)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計3米輻射場結(jié)果可評估屏蔽效能結(jié)構(gòu)場分布可直觀展示能量傳播EMIBadEMIGood41改變設(shè)計優(yōu)化輻射發(fā)射19mmX2.54mm Slots2.574mm diameter circles5.17GHz EMI Violation at 3 Meters42BeforeAfter表面電流分布 5.17 GHz43B

12、eforeAfter電場分布 5.17 GHz44EMI 3 meter emission report45EMI 已得到抑制，但這樣就可以了嗎？風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)速度 3500 RPM模型參數(shù)化，尋找最高溫度低于110時，CPU 最大穩(wěn)態(tài)功率最終選擇 Power = 6 W原始機(jī)箱結(jié)構(gòu)散熱分析Original Box GeometryPower Parametric Results46原始機(jī)箱結(jié)構(gòu)散熱分析 247Thermal and Flow Results for 3500 RPM and 6 WEMI 優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)的散熱分析對于滿足 EMI 指標(biāo)的機(jī)箱需要進(jìn)行重新的 散熱設(shè)計6W功率下，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速需要優(yōu)化Icepak 進(jìn)行參數(shù)化掃描分析步進(jìn)500RPM目標(biāo)溫度110要求轉(zhuǎn)速在45005000RPMAltered Box GeometryRPM Parametric Results48EMI 優(yōu)化設(shè)計結(jié)