【Ansys Sherlock & LS-DYNA】PCBA機械衝擊電子可靠度分析
PCBA 結構複雜,由印刷電路板、電子元件、封裝等零件所組成,但 MCAD 模型不易建立,導致分析無法進行。在 Ansys 世界裡,可使用 Sherlock 讀取 ECAD (Electronic CAD),產出 MCAD (Mechanical CAD),其中包含 PCB、電子元件、封裝等零件。有了模型,想幹嘛都行❤️
有了 MCAD 模型,接下來是設定每個零件的材料參數。若以人工手動的方式設定,需消耗大量時間、人力,且增加失誤機會。在此可使用 Sherlock 生成程式碼 (script) 給 Workbench 平台讀取,以程式自動的方式設定所有零件的材料參數,大幅縮短前處理時間、減少失誤。
模型設定好材料,接下來要鋪設網格。 Ansys LS-DYNA 亦是以自動的方式建立網格模型,可自行輸入元素 (Element) 尺寸,來決定要模型保留多少細節,建立大小適中的網格模型。
接著,使用上回介紹的 Trace Mapping ,將走線資訊加到網格模型中。越細緻的網格模型,能更高解析度的描述走線分布,但元素、節點總量、計算量也會隨之增加。
隨後是建立接觸設定的環節,Ansys LS-DYNA 依然以自動的方式建立。透過自動偵測物體間的距離,判斷是否建立設定,可節省人工建立成千上萬接觸設定的時間,不用再燒腦又擔心漏東西。到這一步模型本體就建立就完成了,好習慣記得存檔。
透過 Workbench 大平台,實現一個模型、多組分析,使用剛才建立的 PCBA 模型,進行多軸機械衝擊分析。只需將收到的規範條件,轉換成邊界條件,即可讓 Ansys LS-DYNA 開始計算。
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完成計算後,就可以採收模型的模擬結果、撰寫分析報告了。可以透過動畫了解 PCBA 在遭受衝擊的過程中,整體結構的變形、應變、應力分布狀況,亦可透過數值了解結構損壞的高風險區。
最後,還可以將 Ansys LS-DYNA 所計算出的結果檔案,回傳給 Sherlock 進行電子可靠度分析。藉由 Sherlock 計算 PCBA 在經歷了規範所要求的機械衝擊試驗後,每顆電子元件的失效時間各為多久、失效機率各為多少。使用數值化的方式分析 PCBA 電子可靠度問題,能以數據判斷 PCBA 設計是否能夠達到客戶所訂定的要求,以及其極限壽命又是多少等不易量測的問題。
結論:
在 PCBA 打樣實測前,可先使用 Ansys LS-DYNA 預測 PCBA 的結構響應,再使用 Sherlock 確保 PCBA 的電子可靠度。透過上述方法來觀察結果數據,提出對應的改良方案,有效率地進行下回合的模擬分析,進而加速產品開發時程。