【Ansys Sherlock】找到PCB上關鍵參數提升可靠度

Sherlock 是一套針對電子產品可靠度的分析軟體,為元器件、電路板和硬體系統提供快速、準確的壽命預測。在可靠度的議題上,大家多將關注度放在元件與封裝形式上,容易忽略PCB板的資訊(尤其是分析設定時易套用Default),但在 PCB 的疊層資料上的選擇,尤其是 Construction 更是影響使用者在 Solder Fatigue 分析時的準確度,這篇就利用 Ansys Sherlock 進行簡單的案例,討論 PCB 板中的 Construction 對可靠度的影響性。

PS若想簡單快速了解 Ansys Sherlock 當中的PCB板疊層資訊,記得去看看Sherlock在PCB板功能說明”。

 

透過 Ansys Sherlock 讀入 ECAD,如 ODB++ 或是 IPC2581,這類完整的檔案格式。除了元件與封裝的資料庫,可自動帶入外,疊層資訊當然不會需要使用者自己慢慢輸入。

常見的PCB板材結構,組成由 Cooper Foil(銅箔層)、Reinforcement (或稱為Construction,中文多翻譯為補強材)、Epoxy (樹脂)等三種。後續因應無鉛製程發展,多加入了 Fillers (填充材)用來提高PCB的耐熱性。

Reinforcement 可以有效提高PCB材料的結構強度,且具備高耐熱性和耐化學性,對水分敏感度低,並有電絕緣體的優點。從下圖(側視圖),可以發現 Reinforcement,必須用兩個箭頭代表。


 從視圖來看,至少就有各種不同的編織法,那就會有不同的結構強度。


圖為現有PCB常用的三種編織法,並不同編織法有對應的產品號。


當需要分析的產品,採用到相關的料號時,Ansys Sherlock可以支援這樣的編織料號,對應到的材料參數也會不一樣。那要怎麼設定呢?

需要點擊圖的Stackup資訊層,進入到Laminate層(絕緣層)。


圖為在Ansys Sherlock的Laminate設定畫面。

當中有三個很重要的參數,Laminate Material/Construction/ Conductor Material/Percent。

可以透過選擇Construction,進行Reinforcement的編織形式的設定。

 


這次的案例中,就是要用這個construction進行討論。

選用1080/2116/7628,進行可靠度的比對。

設定如圖,只變更Construction形式,且所佔的比例均為該形式中最小值(1080-55%;2116與7628均為42%),Fiber Material維持E-glass。

 


圖為 Solder Fatigue 分析下的壽命曲線。


圖為Solder Fatigue分析下的各元件的TTF值。

以U1為基準,料號為 1080的TTF=19684(cycles),2116與7628這兩種料號的TTF=3371(cycles)。

以R1為基準,料號為 1080的TTF=6228(cycles),2116與7628這兩種料號的TTF=12228(cycles)。

由此可知,在這此電路板的 Solder Fatigue 分析,在LCCC(無引線陶瓷封裝載體)封裝比起CC封裝更容易受 Construction 影響。

 


補充說明:

Solder Fatigue分析項目,受最高溫度、最低溫度、最高溫度下的停留時間、元件設計、元件材料特性、焊點幾何形狀、焊點材料、印製板厚度和印製板面內材料特性的影響。Sherlock 使用應變能計算失效時間,這需要確定施加的力、應變範圍,然後根據導出的應變能推斷失效週期。

延伸說明:

Ansys產品下有個材料專業軟體,Granta,目前也有支援輸出材料到Sherlock囉~