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电子产品的结构与热可靠性设计

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• 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

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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

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智能化设计趋势

Smart Mobile

Smart TVSmart Car

Smart Home

Smart Grid

Smart Bio

Smart Card

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世界本身就是多物理场的

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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

• …

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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

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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

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ANSYS 电子产品可靠性仿真平台Thermal

Sentinel-TIAnalog/IP

TotemRTL

PowerArtistSoC

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

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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

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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

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1. PCB板热力寿命分析

PCB板热应力分析

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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

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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

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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

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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

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带预应力随机振动

2. PCB带预应力随机振动分析

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带预应力随机振动

2. PCB带预应力随机振动分析

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带预应力随机振动

2. PCB带预应力随机振动分析

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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

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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

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载荷、边界条件设置

根据能量守恒定律推导V= 2𝑔𝑔𝑔，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

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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

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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

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材料性能

CopperElectrical 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_epoxyRelative Permittivity（相对介电常数） = 4.4 Thermal Conductivity （热导率）= 0.38, 0.38 0.30 W/(m C)

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功率分布- SIwave

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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

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导出功能- SIwave

转为 ANF 转为 ACIS

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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

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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

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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

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中心孔- Mechanical (新功能)

用于PCB层拓扑结构的热分析

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Trace Map 金属比例- Mechanical

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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

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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

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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

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热结果(Thermal-Electric Model)

导体上的焦耳热

热对流面上的反应热

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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

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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

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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

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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

EMIEMI

Thermal

Bad Good

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改变设计优化辐射发射

19mmX2.54mm Slots 2.574mm diameter circles

5.17GHz EMI Violation at 3 Meters

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Before After

表面电流分布 @ 5.17 GHz

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Before After

电场分布 @ 5.17 GHz

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EMI – 3 meter emission report

EMI 已得到抑制，但这样就可以了吗？

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•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

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原始机箱结构散热分析 2

Thermal and Flow Results for 3500 RPM and 6 W

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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

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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

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感谢聆听