仿真APP在電路板隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

一、背景介紹PCB（印制電路板）是電子元器件的支撐體，也是電氣相互連接的載體，一般由絕緣底板、連接導(dǎo)線和裝配焊接電子元件的焊盤組成。它代替復(fù)雜的布線，實(shí)現(xiàn)電路中各元件之間的電氣連接，減少了傳統(tǒng)方式下的接線工作量和整機(jī)體積，提高了電子設(shè)備的質(zhì)量和可靠性。但同時(shí)，高度集成的微電子器件對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能設(shè)計(jì)提出了更高的要求。圖1PCB（印制電路板）（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）在PCB的實(shí)際應(yīng)用中，可能會(huì)受到來自機(jī)械振動(dòng)、運(yùn)輸過程、噪聲激勵(lì)等因素引起的隨機(jī)振動(dòng)，它對(duì)印制電路板的電氣連接和信號(hào)穩(wěn)定傳輸?shù)刃阅墚a(chǎn)生顯著影響。因此，需要通過隨機(jī)振動(dòng)分析，預(yù)測(cè)和評(píng)估PCB在這些隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境下的行為。在印制板電子器件封裝中，焊點(diǎn)作為電子器件與PCB基板之間的關(guān)鍵連接，承擔(dān)著傳遞電信號(hào)、散熱、結(jié)構(gòu)保護(hù)與支撐等作用，焊點(diǎn)的失效將直接導(dǎo)致器件的失效，從而會(huì)影響到產(chǎn)品的功能和可靠性。根據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，20%的電子設(shè)備失效是由于振動(dòng)導(dǎo)致的，而在這些失效中，焊點(diǎn)失效又是最為主要的原因之一。因此對(duì)封裝器件及其焊點(diǎn)陣列在隨機(jī)振動(dòng)載荷下的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析和評(píng)估，具有重要的工程價(jià)值。振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)和振動(dòng)仿真是對(duì)印刷電路板動(dòng)力學(xué)特性設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的兩種方式。PCB隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)可評(píng)估PCB在實(shí)際使用環(huán)境下的振動(dòng)性能，以確保它在振動(dòng)環(huán)境中的可靠性和穩(wěn)定性，從而滿足相關(guān)國(guó)軍標(biāo)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等的環(huán)境試驗(yàn)要求，如國(guó)軍標(biāo)《GJB150.16A振動(dòng)試驗(yàn)》對(duì)軍用裝備實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)試驗(yàn)的試驗(yàn)方法、載荷工況等都有明確的說明和要求。但振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)需要有物理樣機(jī)作為被測(cè)對(duì)象，整個(gè)試驗(yàn)的準(zhǔn)備過程非常耗時(shí)費(fèi)力，成本較高，且對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的反饋太過滯后。而振動(dòng)仿真分析的手段可彌補(bǔ)振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)的不足，幫助用戶快速、高效、低成本地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)證和優(yōu)化迭代，降低物理試驗(yàn)的次數(shù)和成本。圖2振動(dòng)環(huán)境試驗(yàn)的仿真替代二、仿真APP解決方案對(duì)于PCB隨機(jī)振動(dòng)仿真分析，需要使用者具備一定的動(dòng)力學(xué)理論知識(shí)和分析經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行合適的仿真參數(shù)設(shè)置，才能確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。而使用通用多物理場(chǎng)仿真軟件Simdroid完成PCB的隨機(jī)振動(dòng)仿真分析，并基于其內(nèi)置的APP開發(fā)器，以無代碼化的方式便捷封裝全參數(shù)化仿真模型及仿真流程，將仿真知識(shí)、專家經(jīng)驗(yàn)等固化為可復(fù)用的PCB隨機(jī)振動(dòng)仿真APP，可大幅度提高PCB隨機(jī)振動(dòng)仿真的建模和分析效率，同時(shí)降低使用門檻、縮短仿真周期。本文以某電子行業(yè)典型的PCB為例，介紹PCB隨機(jī)振動(dòng)分析過程和仿真APP制作方法，并基于仿真APP對(duì)不同焊點(diǎn)材料、不同模態(tài)阻尼比、不同PSD加載譜量級(jí)下隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)RMS結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和評(píng)估。1、仿真流程搭建1）三維幾何模型導(dǎo)入對(duì)模型進(jìn)行必要的幾何簡(jiǎn)化和清理，將stp幾何模型導(dǎo)入到Simdroid。圖3導(dǎo)入三維幾何模型2）材料定義和賦予為PCB及其電子器件定義力學(xué)屬性，包含F(xiàn)R4、陶瓷封裝、塑料封裝、金屬封裝、焊錫材料；力學(xué)參數(shù)包括楊氏模量、泊松比、密度。圖4定義材料參數(shù)（以陶瓷封裝材料為例）3）網(wǎng)格劃分在本案例中，電子器件部件模型幾何尺寸量級(jí)相差較大，在網(wǎng)格剖分時(shí)，需要充分考慮分析精度和求解模型規(guī)模的平衡，利用Simdroid對(duì)不同器件模型進(jìn)行分別的單元尺寸控制和網(wǎng)格剖分。同時(shí)在部件連接方面，大多數(shù)電子器件通過焊接、插接、粘接等方式與印制電路板裝配在一起，后期在Simdroid中將采用面面粘接、點(diǎn)面耦合等方式進(jìn)行部件連接約束。所以，在網(wǎng)格劃分時(shí)，需要考慮粘接面之間網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的匹配性，以準(zhǔn)確模擬部件連接方式。圖5網(wǎng)格剖分和局部單元精細(xì)控制4）部件連接關(guān)系定義在Simdroid中使用面面粘接、點(diǎn)面耦合等方式近似模擬印制電路板中各器件的連接關(guān)系。圖6面面粘接、點(diǎn)面耦合約束連接定義5）邊界約束設(shè)置在Simdroid中設(shè)置初始約束邊界條件，支持對(duì)幾何點(diǎn)、線、面、體以及網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自由度約束。圖7定義邊界條件6）創(chuàng)建頻率分析載荷步使用模態(tài)疊加法在Simdroid進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析。在隨機(jī)振動(dòng)分析之前首先進(jìn)行頻率（模態(tài)）分析，用于提取頻率分析的固有頻率和模態(tài)振型結(jié)果。設(shè)置模態(tài)階次，通常要求最后一階固有頻率值為PSD曲線頻率范圍的1.5倍，可采取試算的方式，以確定模態(tài)分析階次。Simdroid頻率分析設(shè)置中也支持用戶設(shè)置頻率區(qū)間的上下限。圖8頻率分析載荷步設(shè)置通過模態(tài)計(jì)算，獲取了印制電路板結(jié)構(gòu)前10階固有模態(tài)特性，包括模態(tài)頻率和模態(tài)振型。印制電路板結(jié)構(gòu)模態(tài)分析結(jié)果如下：圖9模態(tài)頻率圖10模態(tài)振型7）創(chuàng)建隨機(jī)振動(dòng)載荷步a）定義功率譜密度函數(shù)圖11隨機(jī)激勵(lì)的功率譜函數(shù)（PSD）定義b）隨機(jī)響應(yīng)分析參數(shù)設(shè)置定義頻率范圍上下限，設(shè)置掃頻點(diǎn)數(shù)和固有頻率集中系數(shù)。選取振型數(shù)，建議包括輸入響應(yīng)譜中定義的最大頻率的1.5倍。Simdroid提供多種阻尼類型，用戶根據(jù)資料或試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選擇相應(yīng)的阻尼類型。在相關(guān)系數(shù)設(shè)置菜單中，定義參考重力加速度，使加速度PSD譜單位為g^2/Hz；在支座運(yùn)動(dòng)菜單中，定義激勵(lì)譜的類型和加載方向。圖12隨機(jī)響應(yīng)分析載荷步設(shè)置8）提交隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析，查看分析結(jié)果Simdroid計(jì)算輸出結(jié)果的均方根值，默認(rèn)為1σ，計(jì)算結(jié)果滿足正態(tài)分布，即在68.27%（1σ）時(shí)間響應(yīng)內(nèi)小于標(biāo)準(zhǔn)值（均方根值）。當(dāng)取2σ（95.54%）時(shí)，隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)的最大響應(yīng)幅值為2倍均方根值（1σ對(duì)應(yīng)的RMS值）；當(dāng)取3σ（99.73%）時(shí)，隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)的最大響應(yīng)幅值為3倍均方根值（1σ對(duì)應(yīng)的RMS值）。圖13正態(tài)分布函數(shù)查看整體結(jié)構(gòu)RMS位移云圖、RMS應(yīng)力云圖和焊點(diǎn)RMS應(yīng)力云圖如下：9）APP封裝前的參數(shù)定義和關(guān)聯(lián)圖14參數(shù)化定義圖15參數(shù)關(guān)聯(lián)綁定2、仿真APP封裝基于Simdroid平臺(tái)提供的仿真APP開發(fā)環(huán)境，通過參數(shù)化定義和鼠標(biāo)拖拽的方式快速搭建PCB隨機(jī)振動(dòng)仿真APP，將PCB隨機(jī)振動(dòng)仿真的分析過程進(jìn)行封裝，開發(fā)具有關(guān)鍵部件材料選型設(shè)計(jì)、不同載荷譜（安全等級(jí)）量級(jí)等影響因素下“What-If”研究和響應(yīng)評(píng)估的專業(yè)仿真APP，如下圖所示。圖16基于Simdroid平臺(tái)的仿真APP開發(fā)環(huán)境3、基于仿真APP的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本仿真APP針對(duì)電子行業(yè)典型的PCB結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析和隨機(jī)振動(dòng)分析，可實(shí)現(xiàn)：1）評(píng)估焊點(diǎn)材料屬性對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)特性及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)的影響；2）計(jì)算不同PSD譜加載里量級(jí)下的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)RMS結(jié)果，評(píng)估焊點(diǎn)陣列在極限工況下是否發(fā)生強(qiáng)度失效；3）評(píng)估不同模態(tài)阻尼比對(duì)隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)結(jié)果的影響。在Simdroid無代碼的開發(fā)環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)了PCB隨機(jī)振動(dòng)仿真APP的快速封裝，基于當(dāng)前初始參數(shù)值，仿真APP計(jì)算結(jié)果如下所示：圖17PCB模態(tài)振型（第2階）圖18隨機(jī)振動(dòng)位移響應(yīng)RMS值圖19隨機(jī)振動(dòng)等效應(yīng)力響應(yīng)RMS值（最大值出現(xiàn)在焊點(diǎn)陣列上）對(duì)于特定產(chǎn)品特定加載條件下的仿真分析步驟，仿真APP的顯著優(yōu)勢(shì)在于：實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜仿真知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的無代碼化封裝，為設(shè)計(jì)工程師預(yù)留了可設(shè)計(jì)驗(yàn)證的外部輸入?yún)?shù)，用于快速驗(yàn)證和對(duì)比不同設(shè)計(jì)方案、不同載荷工況或安全系數(shù)要求下的產(chǎn)品力學(xué)、熱等物理性能。利用該仿真APP，作者花費(fèi)了約10余分鐘時(shí)間，就完成了3種不同阻尼比和PSD譜加載倍數(shù)（安全系數(shù)）下結(jié)構(gòu)的位移RMS最大值和等效應(yīng)力RMS最大值結(jié)果對(duì)比，效率非常高。圖20參數(shù)化仿真APP快速性能分析和對(duì)比三、電路板隨機(jī)振動(dòng)仿真APP應(yīng)用印制電路板在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，幾乎涉及到所有電子設(shè)備和系統(tǒng)。以下是一些在工業(yè)領(lǐng)域中隨處可見的應(yīng)用：計(jì)算機(jī)和服務(wù)器：印制電路板是計(jì)算機(jī)和服務(wù)器內(nèi)部電子元件的關(guān)鍵組成部分。它們連接各種芯片、存儲(chǔ)設(shè)備、接口和其他組件，提供電氣連接和信號(hào)傳輸。通信設(shè)備：無論是固定通信基站還是移動(dòng)通信設(shè)備，都使用大量的印制電路板。用于支持無線通信、信號(hào)處理、天線控制等功能。自動(dòng)化和控制系統(tǒng)：自動(dòng)化和控制系統(tǒng)通常涉及大量的電子設(shè)備和傳感器，這些設(shè)備通過印制電路板連接起來。汽車電子系統(tǒng)：如引擎控制、輔助駕駛、安全系統(tǒng)，都涉及印制電路板，它們用于連接和支持車輛內(nèi)部的各種電子設(shè)備。航空航天領(lǐng)域：飛機(jī)和航天器中的導(dǎo)航系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等都離不開印制電路板。總體而言，PCB是工業(yè)電子設(shè)備和系統(tǒng)的核心組件，在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，為各種設(shè)備提供了關(guān)鍵的電氣連接和信號(hào)傳輸功能。針對(duì)不同類型的印制電路板隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)評(píng)估，在Simdroid中都可建立與之對(duì)應(yīng)的仿真APP，將分析過程進(jìn)行封裝，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能的快速分析和設(shè)計(jì)方案對(duì)比。有了仿真APP的助力，工程師不再需要進(jìn)行繁瑣的建模與分析操作，也不需要過多關(guān)注分析原理和計(jì)算過程，就可以完成動(dòng)力學(xué)性能符合要求的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。訪問Simapps，在線體驗(yàn)電路板隨機(jī)振動(dòng)仿真APP。四、仿真APP助力千行百業(yè)相較于傳統(tǒng)CAE仿真軟件，基于Simdroid開發(fā)的仿真APP更加靈活易用，用戶可以零門檻低成本、跨平臺(tái)跨終端隨時(shí)隨地訪問云平臺(tái)進(jìn)行仿真分析工作，提升產(chǎn)品研發(fā)效率。同時(shí)，Simapps平臺(tái)也支持企業(yè)產(chǎn)商將仿真APP的在線計(jì)算界面內(nèi)嵌到官方網(wǎng)站產(chǎn)品宣傳頁，或?qū)⒎抡鍭PP的二維碼植入到產(chǎn)品介紹手冊(cè)，為需求端用戶展示產(chǎn)品的科學(xué)設(shè)計(jì)方式及產(chǎn)品性能，提供產(chǎn)品使用場(chǎng)景的仿真分析。仿真APP賦能每一個(gè)工業(yè)品，助力企業(yè)提升產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。五、關(guān)于SimdroidSimdroid是自主研發(fā)的通用多物理場(chǎng)仿真P