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印刷電路板的熱結(jié)構(gòu)分析

深圳市賽姆烯金科技有限公司 ? 來源:深圳市賽姆烯金科技有限 ? 2025-06-11 14:27 ? 次閱讀
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印刷電路板(PCB)在電子設(shè)備和其他相關(guān)應(yīng)用中無處不在。一般來說,PCB是由多層層壓材料和多層樹脂粘合而成的。這些層嵌入有導(dǎo)電金屬部件和垂直穿過這些層的金屬通孔。

在有限元分析(FEA)中,將PCB中的主體和跡線建模為單元通常使用具有耦合或接觸的實體、殼和梁單元。然而,由于PCB的每個樹脂層中所涉及的嵌入體數(shù)量巨大,該方法通常是困難和耗時的

網(wǎng)格獨立增強(qiáng)單元技術(shù)通過使用MESH200單元定義嵌入?yún)^(qū)域的拓?fù)洳o縫創(chuàng)建嵌入增強(qiáng)單元,為PCB建模和網(wǎng)格化提供了更好的選擇。不涉及復(fù)雜的接觸建模、耦合或困難的網(wǎng)格劃分技術(shù)。

該示例問題演示了如何使用獨立于網(wǎng)格的增強(qiáng)單元來執(zhí)行印刷電路板(PCB)的熱結(jié)構(gòu)分析。

重點介紹了以下特性和功能:

使用離散和涂抹的加固單元進(jìn)行建模。

熱分析后進(jìn)行下游結(jié)構(gòu)分析。

問題描述:

分析分為兩部分:

步驟1.求解熱邊界條件引起的熱分析。

步驟2.解決熱載荷引起的下游結(jié)構(gòu)分析。

由于運行載荷而在一些嵌入式金屬跡線上產(chǎn)生的熱量會導(dǎo)致整個PCB的溫度梯度。梯度會導(dǎo)致PCB在操作期間變形,并引起熱應(yīng)力和應(yīng)變。

建模

用于穩(wěn)態(tài)熱分析的模型使用ANSYS Mechanical創(chuàng)建,生成初始網(wǎng)格的單元:

表示小銅通孔的線體用LINK33劃分網(wǎng)格。

代表樹脂中嵌入銅和較大通孔的其他表面體用SHELL131劃分。

使用SOLID70對層壓板和樹脂實體進(jìn)行網(wǎng)格化。SOLID70單元進(jìn)行了修改(EMODIF),以創(chuàng)建SOLID278單元,以支持增強(qiáng)單元的生成。

54e978ca-44d4-11f0-b715-92fbcf53809c.jpg

每個固體層壓板和樹脂體在內(nèi)表面處彼此默認(rèn)接合接觸,從而形成六個接合接觸對。

為了創(chuàng)建嵌入的加強(qiáng)單元(REINF264和REINF265),LINK33和SHELL131單元被修改(EMODIF)以創(chuàng)建等效的MESH200單元。

厚度為0.042 mm的涂抹加固的截面特性定義如下:

54ffd804-44d4-11f0-b715-92fbcf53809c.jpg

截面積為0.16053 mm2的離散加固的截面特性定義如下:

550f1a4e-44d4-11f0-b715-92fbcf53809c.jpg

在選擇適當(dāng)?shù)幕A(chǔ)SOLID278和MESH200單元后,將創(chuàng)建加強(qiáng)構(gòu)件(EREINF)并成形(/ESHAPE):

5524812c-44d4-11f0-b715-92fbcf53809c.jpg

對于下游結(jié)構(gòu)分析,修改了SOLID278單元(EMODIF)以創(chuàng)建等價SOLID185單元。作為熱結(jié)合接觸對的一部分的CONTA174單元也被修改以說明結(jié)構(gòu)解決方案。然后重新選擇增強(qiáng)單元REINF264和REINF265,以實現(xiàn)它們的結(jié)構(gòu)自由度(EREINF)。

材料屬性

以下是22°C下銅、層壓材料和樹脂材料的熱性能和結(jié)構(gòu)材料性能:

553a9c28-44d4-11f0-b715-92fbcf53809c.jpg

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555f5a54-44d4-11f0-b715-92fbcf53809c.jpg

邊界條件和加載

穩(wěn)態(tài)熱分析:邊界條件和加載

將內(nèi)部發(fā)熱載荷應(yīng)用于代表嵌入式銅跡線和通孔的選定MESH200單元組件:

5574317c-44d4-11f0-b715-92fbcf53809c.jpg

558b4da8-44d4-11f0-b715-92fbcf53809c.jpg

在從MESH200和基礎(chǔ)構(gòu)件交叉點創(chuàng)建加固(EREINF)后,應(yīng)用于MESH200的邊界條件被轉(zhuǎn)移到涂抹加固構(gòu)件(BFPORT):

559d75fa-44d4-11f0-b715-92fbcf53809c.jpg

對流邊界條件應(yīng)用于PCB的頂面和底面:

55b6b8ee-44d4-11f0-b715-92fbcf53809c.jpg

55c8fba8-44d4-11f0-b715-92fbcf53809c.jpg

下游結(jié)構(gòu)分析:邊界條件和加載

PCB的端部受到所有位移自由度的約束(以綠色表示):

55db5c76-44d4-11f0-b715-92fbcf53809c.jpg

分析和求解控制

該求解包括穩(wěn)態(tài)熱分析和下游結(jié)構(gòu)分析。

在應(yīng)用熱產(chǎn)生載荷和對流邊界條件后,穩(wěn)態(tài)熱解是直接的。

隨后的結(jié)構(gòu)解涉及從.rth文件(LDREAD)讀取溫度。

通過定義至少五個子步,可以實現(xiàn)大撓度。

位移收斂被啟用,熱流收斂被禁用(CNVTOL)。在求解結(jié)構(gòu)分析之前,取消選擇之前為對流定義的SURF152單元。

結(jié)果和討論

在穩(wěn)態(tài)熱分析之后,溫度結(jié)果是最重要的。以下是部分涂抹加固件的結(jié)果:

55e7b9c6-44d4-11f0-b715-92fbcf53809c.jpg

溫度梯度導(dǎo)致下游結(jié)構(gòu)分析中的變形和應(yīng)力。

以下是涂抹加固件同一部分的變形結(jié)果:

55fbf4f4-44d4-11f0-b715-92fbcf53809c.jpg

整個PCB的等效熱應(yīng)變圖(從正X軸側(cè)觀察)顯示,應(yīng)變發(fā)生在預(yù)期位置,并對應(yīng)于熱分析的加載條件:

5614aa12-44d4-11f0-b715-92fbcf53809c.jpg

孔隙壓力分布在某些方面與參考文獻(xiàn)的結(jié)果不同進(jìn)行類似分析時,考慮以下提示和建議:

為實心基礎(chǔ)單元選擇足夠大的尺寸,以避免過于精細(xì)的基礎(chǔ)網(wǎng)格。如果基礎(chǔ)單元小于嵌入部件的橫截面或厚度,則熱產(chǎn)生載荷可能不會充分分布,從而導(dǎo)致對受影響區(qū)域的熱結(jié)果的過度估計。

對加固單元使用適當(dāng)?shù)慕孛婵刂圃O(shè)置(SECCONTROL),以提高結(jié)果。

考慮對所有支撐基礎(chǔ)材料使用基底移除選項,對均質(zhì)嵌入構(gòu)件使用全膜選項。

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原文標(biāo)題:印刷電路板的熱結(jié)構(gòu)分析!

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