印制電路板模型建立與優化

呂俊杰

摘 要 在振動環境下工作的電子產品，焊點的失效原因往往是板上處于高應力位置的焊點發生斷裂，如何知道印制板上哪些區域屬于高應力區，這些區域為什么應力會很高，如何解決焊點斷裂失效，這些都是工業界目前遇到的實際問題。通過對電路板組件進行有限元仿真分析，分析動力學特性、隨機振動相應特征，建立仿真模型。同時通過開展各種實驗，完成該板的模態分析、響應分析、以及應力分布的分析。將這些分析與建立的模型對比、修正、擬合，使該模型成為準確度較高的印制板仿真模型，并應用到實際的電子產品中，從而提高了產品的可靠性，加速研發進度，節約成本。

【關鍵詞】有限元 建模 仿真優化 可靠性

通過兩個方面完成印制板的模型建立及焊點的應力分析。

（1）建模。搜集所需建立對象物理參數、載荷譜等數據。采用有限元分析方法對特定印制板進行結構建模，并分析動力學特性、隨機振動相應特征，給出結構模態分析結果。

（2）模型修正。開展各種實驗，對實際電路板的應力分布展開研究工作，完成該板的模態分析、響應分析、以及應力分布的分析。將這些分析與建立的模型對比、修正、擬合，使模型能夠準確反映實際板的應力分布情況。

1 模型建立

PCB上安裝四個大質量的器件，在振動時，由于應力導致背面元件焊點的斷裂，通過有限元建模，分析印制板上的應力分布，見圖1。

建立模型大致分成4個階段。首先根據提出的問題，針對PCB收集相關資料，如材料機械性能及幾何條件、外力、邊界條件等；第二，建立有限元模型的前置處理（Preprocessing）階段，如對材料性質確定、幾何形狀的定義，元素的切割等，然后添加邊界條件，添加負荷條件，添加時間變化情形等。第三，對模型進行分析，并對建立的模型進行后置處理（Postprocessing），如結果的顯示和打印等。至此，初步的有限元模型基本建立完成。第四，與試驗結合起來對分析結果進行判斷、修改模型、提出改進方法，最后得到最準確的模型，從而為問題解決和最佳設計提供依據。在建模中，前、后處理軟件分別采用MSC-Patran，分析軟件MSC-Nastran。建立的模型見圖2。

2 優化模型后比較

初步的模型進行計算修訂后，確認模型的準確性和適用性。

2.1 模態測試中PCBA的固有頻率比較

將模態分析試驗得到的印制板自由狀態下的固有頻率（試驗值）與通過模型計算得到的固有頻率（計算值）列表于表1中，并進行比較。

從表2看到，計算頻率均小于試驗值，但誤差不超過15%，模型是可用的。

2.2 RMS和PSD比較

將響應測試實驗中得到的PSD（振動加速度功率譜密度值）和RMS（振動加速度總效值）與通過模型計算得到的PSD及RMS列表于表2中，并進行比較。

從表2看到，計算與測試的RMS、PSD以及響應頻率的誤差不超過15%，模型可信。

3 總結

建立一個精確的模型一定要進行數據的試驗比較。本文中，PCBA通過試驗得到的固有頻率、PSD、RMS、以及印制板上的應力響應頻率分布都基本上與建立的仿真模型相吻合，建立的仿真模型準確性較高。

參考文獻

[1]PCBA Random Vibration Analysis using FEA Reliability Engineering Group.

[2]Cascade Engineering Services，Inc.

[3]PCBA Stress Analysis with.

[4]MIL Standard Input Pro_le.