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万博ANSYS的博客
2022年7月13日
每次设备被关闭或打开时,其温度都会发生变化。(想想你的手机一天亮了多少次。)能量流过几层紧密堆叠的材料,导致器件升温,然后迅速冷却。这种在设备生命周期内温度之间的反复振荡称为热循环。
热循环,即设备在热和冷状态下移动的过程,是导致电子设备故障的最大领域之一。如果发生热疲劳,设备内的多个系统可能会受到影响,导致翘曲、焊料薄弱、断裂或开裂——如果不加以缓解,最终会导致整体产品故障。
由于电子产品如今无处不在,热循环造成的压力影响着各个行业的设备组件,例如:
图1:电子故障的原因。
器件对热循环敏感的原因有几个,包括器件放在电路板上的位置和器件的类型,如四平面无铅(QFN)封装、球栅阵列(BGAs)和陶瓷电容器。这些组件没有兼容的引线,因此只有焊料可以吸收应变。
对于应变敏感元件,重要的是不要将其放置在板上的高应变区域,例如:
在图2中,一个QFN被放置在印刷电路板(PCB)上的两个大电感器之间,有四个角。在热循环事件中,您可以看到发展的高应变区域(用红色和黄色表示)。在高应变区域放置QFN可能导致QFN的焊点失效。
图2:放置在正在进行热分析的印刷电路板(PCB)上的两个电感之间的四平无铅(QFN)封装。
焊接是将元件连接到电路板上的最基本方法之一。就像金属热胶一样,焊料熔化后在变硬时被用来粘在一起。虽然振动或冲击可以引起焊料退化,但热循环是焊点失效最常见的原因。
每种材料都有独特的热膨胀系数(CTE),材料CTE之间的不匹配是导致焊料疲劳的主要原因。当焊料被拉伸时,组件和电路板之间的键会变形、开裂或断裂,导致故障风险。
图3:热疲劳裂纹的球栅阵列(BGA)球。
图4:热-机械载荷作用下BGA球的应力。
电路板上的所有东西都不是纯电子的。通常用于继电的分层材料深埋在电路板内,无法从顶部或底部观察到。当电流通过它们时,它们就会增大、缩小和变形。预测这些组件对热循环的反应对于准确的寿命测试至关重要。
理想情况下,为了防止热疲劳引起的失效,工程师应该在设计阶段减少热应力。通过模拟,他们可以看到应力发生的位置,并在物理原型制造之前改变材料层和约束的数量、组件的位置和材料底垫。
当使用模拟测试热机械可靠性风险时,使用具有有限元分析(FEA)或结构分析功能的软件是很重要的。FEA是物理系统的数学表示,它使用网格将元素映射到模型中。网格技术对于精确的分析是非常重要的。
在设计电子设备时,了解热机械可靠性风险是一个关键步骤。温度循环是电子设备故障的主要原因之一,在设计设备时没有考虑到这一风险,可能会导致现场意外的产品故障。使用模拟是工程师可以采取的重要的第一步,以消除漫长的设计周期和减少多次原型迭代。
通过观看本次按需网络研讨会,了解更多关于组件级可靠性、单板级可靠性和影响可靠性的系统级交互的信息:如何预测电子设备的热循环故障
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