如何克服PCB建模挑战[2020年更新]

最初发表于2017年11月。”

随着电子设备变得越来越小，越来越普遍，印刷电路板(pcb)和驱动它们的组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，准确和详细的分析方法是必要的。

尤其是电子学，建模具有惊人的挑战性。我们通常认为大型物体(如汽车或飞机)是最具挑战性的模拟对象。然而，简单的计算机或手机可以拥有成千上万个尺寸范围为1000倍的主体(100微米到100毫米)，这导致了高度复杂的模型，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

克服这些PCB建模挑战的第一步可能是使用万博Ansys夏洛克．Sherlock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，并可以导入所有行业标准输出文件，包括Gerber, odb++， IPC-2581和EDB。如图2所示，Sherlock可以捕获所有痕迹、平面、过孔、孔、板轮廓和堆叠。一旦PCB数据上传到Sherlock中，就有几种方法来建模几何图形。

图2:PCBA顶层的Ans万博ys Sherlock模型

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方法1:综合或有效材料性能

处理PCB复杂几何结构的最基本方法是假设“集中”或“有效”材料属性。

该方法的第一步包括计算玻璃纤维增强层板的正交各向异性。在查看图1中的结构细节时，您将看到不同层的各种玻璃编织(1078、2116等)。不同的玻璃编织可以导致非常不同的材料和力学行为，主要是由于不同的树脂含量。弹性模量(E)和热膨胀系数(CTE)将根据层压结构变化超过40%。

Sherlock可以采用标准配置(50%树脂/50%玻璃)的层压板数据表中列出的材料属性，并计算各种玻璃编织的正交各向异性属性，并反转树脂的各向同性属性。

下一步包括计算铜和树脂层的正交各向异性。在该方法中，假设每层板的铜覆盖率百分比，并可以计算有效的正交各向异性材料性能。以板热导率为例，各层有效热导率可计算为:

在哪里k导热系数，β_我层的分数是多少我被铜覆盖。

材料性质的集中程度可以由分析人员决定。属性可以集中在所有层或一层一层的基础上。集中方法为分析人员提供了板属性的可靠一阶估计，但由于空间属性变化的“涂抹”，可能会导致错误。图3显示了跨所有层和逐层计算有效属性的示例。

图3:Ansys Sherlock中PCB的堆叠属性。万博

PCB建模的有效属性方法非常适用于初次评估，例如预布局或布局的早期版本。但是，为了最后核查，还需要更多的细节。

观看“建模pcb时需要多少细节”网络研讨会以了解更多信息．

方法2:映射的材料属性(跟踪映射)

在这种方法中，在板的每一层上构造一个矩形背景网格。背景网格的每个单元基于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。这有效地形成了跨PCB的每一层材料属性的映射。

本地属性的计算方法与方法1类似。然而，每个单元中只考虑板的有限部分，使材料图能够捕获属性的局部变化。本材料图的一个例子是在万博Ansys机械如下图4所示。然后，在确定PCB的局部材料属性时，FEA或CFD模型中的网格可以引用该底层材料图。

图4:在Ansys Mechanical中映射的PCB属性万博

轨迹映射的主要优点是网格的清洁度和网格密度的完全控制。网格几乎可以完全由一级砖组成，而不必被迫遵循轨迹、垫面和面的复杂几何结构。在结构力学建模中，砖比一阶四面体元素更受欢迎，因为“tets”往往过于僵硬。首选的元件尺寸在100到500微米之间，这取决于您的应用(例如，热，机械，热机械等)。网格越细，跟踪映射与实际几何图形的关联就越大。

与方法1中详细介绍的有效属性方法相比，跟踪映射能够更准确地表示PCB。它还可以比下面方法3中详细介绍的方法更快地执行模拟，并且使用更少的资源。

由于PCB设计的复杂性不断增加，轨迹建模是预测热机械故障风险的首选方法。

方法三:详细几何(轨迹建模)

使用与方法1的简单性相反的方法，分析人员可以通过提取PCB布局的完整3D几何图形来选择显式地表示整个电路板。在这种方法中，对板内材料的分布做了较少的假设，因为每个痕迹和通道都是详细建模的。

由于越来越多地使用堆叠式微孔和高速电路的极小走线(低至25微米宽)，在越来越多的应用中，未能包含显式几何结构会在制造、验证测试和现场操作期间引入故障风险。

然而，对整个PCB几何建模的挑战是不可低估的。分析人员不仅被迫创建一个大型模型(每层可能超过1M个元素)，而且复杂的几何结构要么无法进行网格划分，要么充满了不希望看到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择:

• 跟踪建模(上面讨论过)
• 跟踪建模区域
• 跟踪建模增强

跟踪建模区域为用户提供了为预定义区域中的每个特征创建实体几何的能力。这减小了模型的潜在尺寸，尤其在特定组件存在热机械风险时有用，例如球栅阵列(BGA)或四平面无铅包(QFN)。这类似于局部-全局建模方法，但是跟踪建模区域在全局低清晰度模型中创建局部的高清晰度模型。

图5:在Ansys Sherlock中建模为壳体和梁增强的铜PCB特征。万博

跟踪建模增强是Sherlock中可用的最新功能。增强体是嵌入在3D结构元素或母元素中的2D或1D元素。钢筋中的应变由嵌入单元的位移场计算，这意味着钢筋与周围材料之间存在很强的粘结(模拟铜箔与镀铜和环氧树脂之间的粘结)。

增强材料的好处包括不影响树脂或层压板网格的布局几何。这为分析人员提供了类似于跟踪映射的好处，其中网格主要是一级砖块，并且可以完全控制网格密度。

所有这些能力为下一代技术的电子电气、热、机械和可靠性建模创造了令人兴奋的机会。

下载“利用Ansys SIwave、Icepak、Mechanical和Sherlock分析PCB的电气和热可靠性”网络研讨会了解更多信息万博．