印制电路板模型建立与优化

吕俊杰

摘 要 在振动环境下工作的电子产品，焊点的失效原因往往是板上处于高应力位置的焊点发生断裂，如何知道印制板上哪些区域属于高应力区，这些区域为什么应力会很高，如何解决焊点断裂失效，这些都是工业界目前遇到的实际问题。通过对电路板组件进行有限元仿真分析，分析动力学特性、随机振动相应特征，建立仿真模型。同时通过开展各种实验，完成该板的模态分析、响应分析、以及应力分布的分析。将这些分析与建立的模型对比、修正、拟合，使该模型成为准确度较高的印制板仿真模型，并应用到实际的电子产品中，从而提高了产品的可靠性，加速研发进度，节约成本。

【关键词】有限元 建模 仿真优化 可靠性

通过两个方面完成印制板的模型建立及焊点的应力分析。

（1）建模。搜集所需建立对象物理参数、载荷谱等数据。采用有限元分析方法对特定印制板进行结构建模，并分析动力学特性、随机振动相应特征，给出结构模态分析结果。

（2）模型修正。开展各种实验，对实际电路板的应力分布展开研究工作，完成该板的模态分析、响应分析、以及应力分布的分析。将这些分析与建立的模型对比、修正、拟合，使模型能够准确反映实际板的应力分布情况。

1 模型建立

PCB上安装四个大质量的器件，在振动时，由于应力导致背面元件焊点的断裂，通过有限元建模，分析印制板上的应力分布，见图1。

建立模型大致分成4个阶段。首先根据提出的问题，针对PCB收集相关资料，如材料机械性能及几何条件、外力、边界条件等；第二，建立有限元模型的前置处理（Preprocessing）阶段，如对材料性质确定、几何形状的定义，元素的切割等，然后添加边界条件，添加负荷条件，添加时间变化情形等。第三，对模型进行分析，并对建立的模型进行后置处理（Postprocessing），如结果的显示和打印等。至此，初步的有限元模型基本建立完成。第四，与试验结合起来对分析结果进行判断、修改模型、提出改进方法，最后得到最准确的模型，从而为问题解决和最佳设计提供依据。在建模中，前、后处理软件分别采用MSC-Patran，分析软件MSC-Nastran。建立的模型见图2。

2 优化模型后比较

初步的模型进行计算修订后，确认模型的准确性和适用性。

2.1 模态测试中PCBA的固有频率比较

将模态分析试验得到的印制板自由状态下的固有频率（试验值）与通过模型计算得到的固有频率（计算值）列表于表1中，并进行比较。

从表2看到，计算频率均小于试验值，但误差不超过15%，模型是可用的。

2.2 RMS和PSD比较

将响应测试实验中得到的PSD（振动加速度功率谱密度值）和RMS（振动加速度总效值）与通过模型计算得到的PSD及RMS列表于表2中，并進行比较。

从表2看到，计算与测试的RMS、PSD以及响应频率的误差不超过15%，模型可信。

3 总结

建立一个精确的模型一定要进行数据的试验比较。本文中，PCBA通过试验得到的固有频率、PSD、RMS、以及印制板上的应力响应频率分布都基本上与建立的仿真模型相吻合，建立的仿真模型准确性较高。

参考文献

[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.