1 电子产品的结构与热可靠性设计 2 • 电子产品可靠性设计趋势 • ANSYS电子产品可靠性设计平台 • 案例分享 目录 3 电子产品的驱动力 & 趋势 摩尔定律 晶体管体积更小，数量更多 提高数据速率 带宽更大 功耗管理 功耗更少，功能更多 无线 / 移动连接 随时随地保持连接 降低成本 价格必须下降 绿色设计/ 生产倡议 生态友好 产品生命周期更短 创新 / 击败的竞争 媒体和数据融合 24/7 资讯娱乐 产品质量 声誉 法规 / 可靠性 政府授权 4 智能化设计趋势 Smart Mobile Smart TV Smart Car Smart Home Smart Grid Smart Bio Smart Card 5 世界本身就是多物理场的 6 电子产品可靠性设计挑战 电磁 • 信号质量 • 供电稳定性 • 电磁辐射限 • 抗干扰 • … 结构 • 结构强度 • 受热变形 • 结构振动 • 疲劳寿命 • 跌落碰撞 • … 流体 • 散热器管理 • 粉尘 • 潮湿 • … 7 电子产品可靠性设计 部件 IC PCB 天线 设备 消费电子产品 控制箱 供电系统 应用环境 太空 高温 高湿 8 真实世界操作条件 = 多物理环境 电子产品可靠性设计方法 热分析 热应力分析 结构可靠性 设计迭代 电源和型号完整性分析 电阻损耗 温度 温度 热可靠性 电可靠性 9 ANSYS 电子产品可靠性仿真平台 Thermal Sentinel-TI Analog/IP Totem RTL PowerArtist SoC RedHawk ANSYS Enterprise • 封装及PCB结构应力分析 ANSYS Ls-Dyna • 跌落及碰撞分析 ANSYS nCode Designlife • 热应力及疲劳分析 Icepak：电子设备散热分析工具 • 散热方式选择 • 散热流量分析 • 散热效果评估 SIwave/HFSS/Q3D： 封装 PCB 电磁仿真工具 • 封装/PCB/天线部件电磁性能分析 • 设备及部件工况模拟 • EMC分析 Icepak/Flunt：复杂应用环境模拟 • 器件与系统地的潮湿、凝露、灰尘 堆积 • 太空环境 Svant：复杂电磁环境模拟 • 设备装载效应 • 复杂电磁环境 半导体 部件 与设 备 应用 环境 10 ANSYS 电子产品可靠性仿真平台 ANSYS’s Solutions IC功耗控制 IC ESD控制 IC散热分析 封装/PCB 翘曲分析 封装/PCB分层 封装/PCB塑形形变 封装/PCB蠕变 封装/PCB开裂 焊点热力疲劳 振动变形 振动疲劳 跌落碰撞 热烧蚀破坏 散热方式选择 散热器件选择 散热流量分析 散热风道设计 散热效果分析 复杂环境凝露、粉尘分析 复杂高温、高湿环境分析 ANSYS 电子产品可靠性仿真平台 部件 设备 应用环境 11 1. PCB焊球热力寿命分析 2. PCB带预应力随机振动分析 3. PCB跌落碰撞分析 4. PCB及封装结构电热应力协同仿真 5. 电热协同设计 案例分享 12 1. PCB板热力寿命分析 PCB板热应力分析 13 1. PCB板热力寿命分析 焊球疲劳分析 使用Darveaux 模型 寿命预测 使用ACT开发工具 14 几何选择 以前使用命令片段 优势: • 不需要懂APDL commands 材料裂纹萌生、扩 展材料参数 循环次数和焊球直径 ACT Extension 疲劳计算流程 1. PCB板热力寿命分析 15 疲劳计算结果 结果表格 等效塑性应变 ¼封装模型 导致疲劳破坏次数 1. PCB板热力寿命分析 16 带预应力随机振动 2. PCB带预应力随机振动分析 目的：在湿热应力作用下，研究PCB随机振动下应力、变形分布 17 带预应力随机振动 2. PCB带预应力随机振动分析 18 带预应力随机振动 2. PCB带预应力随机振动分析 19 带预应力随机振动 2. PCB带预应力随机振动分析 20 带预应力随机振动 还可以将随机振动结果 导入到疲劳分析模块 ANSYS nCode DesignLife 中进行疲劳分析 2. PCB带预应力随机振动分析 21 3. PCB跌落碰撞分析 地面，简化为 刚性体 PCB及连接器 件 仿真PCB从1.6m高处跌落，与地面碰撞过程； 在SpcaeClaim中进行模型检查修复，工艺特征去除； 几何模型 22 载荷、边界条件设置 根据能量守恒定律推导V= 2������������𝑔，h=1.6m，所以跌落速度为5.6m/s；在 ANSYS中可以设置多种网格控制方法，可生成高质量网格。 3. PCB跌落碰撞分析 23 求解结果 总体变形结果(3X) 等效应力结果(3X) 3. PCB跌落碰撞分析 24 4. PCB及封装结构电热应力协同仿真 4层有traces, 中心孔和电流源电路元件的印制电路板 PCB 模型 - SIwave 25 材料性能 Copper Electrical Conductivity （电导率）= 5.8e7 S/m Thermal Conductivity （热导率）= 401 W/(m C) Resistivity（电阻率） = 1.724e-8 ohm-m FR4_epoxy Relative Permittivity（相对介电常数） = 4.4 Thermal Conductivity （热导率）= 0.38, 0.38 0.30 W/(m C) 26 功率分布- SIwave 27 导出功率分布 - SIwave (新功能) 导出功率分布，会产生 cdb 和 epwr 文件，这两个文件在Mechanical中 使用 External Data 导入焦耳热时会 用到 28 导出功能- SIwave 转为 ANF 转为 ACIS 29 ANF格式几何模型 - SpaceClaim (新功能 版图几何外形(从SIwave 导出的ACIS文件) 层拓扑结构(从Siwave导出ANF文件 ) 中心孔几何结构 ANF 格式文件让ECAD模 型转为3D实体模型更容易 30 热仿真- WB 文件 结合SIWave中导出的热源，使用PCB版图几何外 形进行热仿真 结合SIWave中导出的热源，使用PCB版图拓 扑结构进行热仿真 PCB版图几何外形使用在 thermal-electric 仿真模块中 31 Trace Mapping - External Data 从SIwave 导出的 ANF 格式文件 用于PCB层拓扑结 构的热分析 32 中心孔- Mechanical (新功能) 用于PCB层拓扑结构的热分析 33 Trace Map 金属比例- Mechanical 34 边界条件 - Mechanical Thermal：层几何外形模型 Thermal-Electric ：层几何外形模型 Thermal ：层拓扑trace map 模型 35 热映射- External Data 从SIwave 导出的 cdb and epwr 文件 用于： 热层几何外形模型 和热层拓 扑trace map 模型 36 热载荷(Thermal Model) 数据传递小结: 热能量映射到 trace 和 过孔结构上 人为设置映射比例 为1.0并忽略trace 和过孔结构外的热 能 37 热结果(Thermal-Electric Model) 导体上的焦耳热 热对流面上的反应热 38 热载荷(Thermal Trace Map Model) 热能量传递小结: 热能量映射到所有模型 上 手动设置比例系数为 1.12，忽略trace 和 过孔结构外的热能 需要调整系数和Thermal- Electric Model 0.57W吻合 39 热结果对比 thermal model：使用几何外形结构和 Siwave中导入热源 thermal-electric model：使用几何外形结 构的结果 thermal model：使用拓扑结构和Siwave 中导入热源 40 温度 - Mechanical thermal model：使用几何外形结构和 Siwave中导入热源 thermal-electric model：使用几何外形结 构的结果 thermal model：使用拓扑结构和Siwave 中导入热源 41 5.电热协同设计---壳体屏蔽效应 vs 通风孔缝 • 通风孔和风扇可能成为泄漏途径 • 电磁屏蔽与散热应进行协同设计 • 3米辐射场结果可评估屏蔽效能 • 结构场分布可直观展示能量传播 EMI EMI Thermal Bad Good 42 改变设计优化辐射发射 19mmX2.54mm Slots 2.574mm diameter circles 5.17GHz EMI Violation at 3 Meters 43 Before After 表面电流分布 @ 5.17 GHz 44 Before After 电场分布 @ 5.17 GHz 45 EMI – 3 meter emission report EMI 已得到抑制，但这样就可以了吗？ 46 •风扇旋转速度 3500 RPM •模型参数化，寻找最高温度低于110℃时， CPU 最大稳态功率 最终选择 Power = 6 W 原始机箱结构散热分析 Original Box Geometry Power Parametric Results 47 原始机箱结构散热分析 2 Thermal and Flow Results for 3500 RPM and 6 W 48 EMI 优化设计结构的散热分析 •对于满足 EMI 指标的机箱需要进行重新的 散热设计 •6W功率下，风扇转速需要优化 •Icepak 进行参数化扫描分析 → 步进500RPM 目标温度110℃要求转速在4500~5000RPM Altered Box Geometry RPM Parametric Results 49 EMI 优化设计结构的散热分析 2 •与原始设计相比，满足EMI指标的机箱结构需要更高 的风扇速度，以实现同样的散热效果 •进行第二次参数扫描，更小的 RPM 步进（100 RPM） • 4700 RPM 实现与原始设计3500 RPM 同样的散热效果 Secondary RPM Parametric Results Thermal and Flow Results for 4700 RPM and 6 W 50 感谢聆听