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如何克服PCB建模挑战

如何克服PCB建模挑战

  • 分类:公司动态
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  • 来源:
  • 发布时间:2024-08-29
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【概要描述】  随着电子设备变得越来越小、越来越普遍,印刷电路板 (PCB) 及其驱动元件面临着越来越大的功率密度和越来越复杂的问题。为了确保产品的可靠性和性能,准确而详细的分析方法是必需的。

如何克服PCB建模挑战

【概要描述】  随着电子设备变得越来越小、越来越普遍,印刷电路板 (PCB) 及其驱动元件面临着越来越大的功率密度和越来越复杂的问题。为了确保产品的可靠性和性能,准确而详细的分析方法是必需的。

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  随着电子设备变得越来越小、越来越普遍,印刷电路板 (PCB) 及其驱动元件面临着越来越大的功率密度和越来越复杂的问题。为了确保产品的可靠性和性能,准确而详细的分析方法是必需的。

  电子产品的建模难度尤其大。我们通常认为大型物体的模拟难度大。然而,简单的计算机或手机可能拥有数以万计的物体,尺寸范围达 1000 倍(100 微米到 100 毫米),这会导致模型高度复杂,需要先进的计算能力。PCB 本身就是一个很好的例子。

  PCB建模技术

  PCB 有 11 个结构层。其中五层是玻璃纤维增​​强环氧树脂,每层都有不同的玻璃编织。其中六层由数千条铜线、焊盘和平面组成,环氧树脂(又称电介质)填充铜特征之间的间隙。两种类型的层都有数千个钻孔和镀孔,称为通孔或微通孔。这种复杂的电路板几何形状会导致材料属性(例如弹性模量、密度、热导率等)在空间上发生变化,对于任何类型的模拟都必须准确指定这些属性。

  克服这些 PCB 建模挑战的一步可能是使用专门用于从任何电子计算机辅助设计 (ECAD) 文件中捕获和处理 PCB 几何图形,并且可以导入所有行业标准输出文件,包括 Gerber、ODB++、IPC-2581 和 EDB。

  方法 1:集总或有效材料特性

  处理 PCB 复杂几何形状的基本方法是假设“集中”或“有效”材料特性。

  该方法的第一步包括计算玻璃纤维增​​强层压板层的正交各向异性。查看图 1 中的结构细节时,您会看到不同层(1078、2116 等)中的各种玻璃编织物。不同的玻璃编织物会导致非常不同的材料和机械行为,这主要是由于树脂含量不同。弹性模量 (E) 和热膨胀系数 (CTE) 将根据层压板结构而变化 40% 以上。

  Sherlock 可以采用层压板数据表中列出的标准配置(50% 树脂/50% 玻璃)的材料特性,并计算各种玻璃编织物的正交各向异性,并反转出树脂的各向同性特性。

  下一步包括计算铜层和树脂层的正交各向异性。在该方法中,假设电路板每层的铜覆盖率百分比,并计算有效正交各向异性材料特性。

  方法 2:映射材料属性(跟踪映射)

  在这种方法中,在电路板的每一层上构建一个矩形背景网格。背景网格的每个单元根据铜和电介质的局部浓度计算有效的正交各向异性材料特性。这有效地形成了 PCB 每一层的材料特性图。

  局部属性的计算方式与方法 1 类似。但是,每个单元仅考虑电路板的有限部分,从而使材料图能够捕捉属性的局部变化。

  迹线映射的主要优势在于网格的整洁性和对网格密度的完全控制。网格几乎可以完全由一阶砖块组成,而无需遵循迹线、焊盘和平面的复杂几何形状。对于结构力学建模,砖块比一阶四面体元素更受欢迎,因为“四面体”往往过于坚硬。初选元素尺寸在 100 到 500 微米之间,具体取决于您的应用(例如热、机械、热机械等)。网格越细,迹线映射与实际几何形状的关联性就越强。

  与方法 1 中详述的有效属性方法相比,迹线映射能够更准确地表示 PCB。与下面方法 3 中详述的方法相比,它还可以更快地执行模拟,并且使用更少的资源。

  由于 PCB 设计日益复杂,走线建模是预测热机械故障风险的方法。

  方法 3:详细几何(轨迹建模)

  使用与方法 1 的简单性截然相反的方法,分析师可以选择通过提取 PCB 布局的完整 3D 几何图形来明确表示整个电路板。在这种方法中,对电路板内材料的分布做出的假设较少,因为每个走线和过孔都经过详细建模。

  由于高速电路越来越多地使用堆叠微孔和极小的走线,越来越多的应用中未能包含明确的几何形状会在制造、验证测试和现场操作期间引入故障风险。

  然而,对整个 PCB 几何体进行建模的挑战不容小觑。分析师不仅被迫创建一个大型模型(每层可能超过 1M 个元素),而且复杂的几何体要么无法进行网格划分,要么充满了不理想的元素类型和纵横比。

  为了克服这些挑战,Sherlock 为用户提供了一系列选项:

  轨迹建模(如上所述)

  追踪建模区域

  跟踪建模增强

  轨迹建模区域使用户能够在预定义区域内为每个特征创建实体几何图形。这可以减小模型的潜在尺寸,尤其适用于特定组件存在热机械风险的情况,例如球栅阵列 (BGA) 或四方扁平无引线封装 (QFN)。这类似于局部-全局建模方法,但轨迹建模区域会在全局低清晰度模型内创建局部高清晰度模型。

  跟踪建模增强材料是 Sherlock 中新的功能。增强材料是嵌入在 3D 结构元素或母元素中的 2D 或 1D 元素。增强材料中的应变是根据嵌入元素的位移场计算得出的,这意味着增强材料与周围材料之间存在牢固的结合(模仿铜箔与镀铜和环氧树脂之间的结合)。

  增强材料的优点包括布局几何形状不会影响树脂或层压板的网格。这为分析师提供了类似于跟踪映射的好处,其中网格主要是一阶砖块,并且可以完全控制网格密度。

  所有这些功能为下一代技术的电子产品的电气、热力、机械和可靠性建模创造了令人兴奋的机会。

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