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仿真技术在电子产品可靠性提升中的应用

嘉峪检测网        2018-01-02 09:35

近年来,虚拟样机与仿真等技术发展迅速,在设计阶段早期利用仿真技术对产品的性能与可靠性进行评估,从而获得产品性能参数并进行优化设计。目前,将可靠性仿真工作融入到产品设计和制造过程,在工程上有着迫切的需求。

可靠性仿真技术利用产品的CAD模型,以系统性能模型为内核,以可靠性模型为外壳,利用各CAE工具综合集成,实现可靠性与性能一体化建模仿真,支持在设计和制造阶段开展基于仿真的可靠性设计、分析与评价。可靠性仿真结果可以为可靠性与性能的协同设计提供模型与数据支撑,对于解决工程中可靠性设计与性能设计难以相互融合的问题具有较高的实用价值。本文将介绍可靠性仿真技术的几个典型应用。

 

1.结构失效分析

某压铸成型路灯后盖在使用过程中发生了断裂。通过外观、X-Ray检查、元素成分分析、断口分析以及风载振动仿真对其断裂原因进行了分析。分析发现,路灯端后盖断裂的原因是应力集中处孔洞在振动过程中萌生裂纹并扩展,最终发生断裂,并据此提出了改善路灯安全性的措施。

 

 2.PCBA应变测试与仿真

根据IPC/JEDEC-9704标准文件,电子制造流程的SMT组装、板子测试、机械装配过程中,难免会受到机械应力或热应力的作用,造成翘曲变形,从而对电子产品上的焊点或器件造成一定的机械损伤,这种损伤有时并不一定立即造成产品失效,而且通过常规的AOI、ICT和FCT难以检查出来。通过对某单位生产的PCBA进行分板过程的应变测试与仿真,发现分板机自动分板相对手工分板过程的应变大幅度降低,结合金相切片观察也可以发现自动分板的PCBA表贴器件的损伤开裂明显减少。现场测试与仿真结果,使该单位深刻意识到采用自动分板的必要性。

 

3.模态分析与减振设计

模态分析用于确定结构的振动特性,得到其固有频率和振型。车载电子产品在行驶过程中,激励源主要来自路面、车轮不平衡、发动机和传动轴不平衡等,当这些激振频率与车载电子产品的某一固有频率相吻合时就会产生共振。因此要求产品低阶频率避开这些激振频率,以避免发生整体共振。通过模态仿真优化分析,发现该车载电子产品的低阶固有频率高于路面激励频率和发动机怠速激振频率,能有效的避免共振的产生,且产品的重量也减轻。

 

4.热疲劳可靠性分析与寿命评估

参考IPC-SM-785标准文件,采用Engelmaier提出的基于热循环温度和频率修正的Coffin-Manson模型,对某公司改进前后的PBGA板级互连组件焊点进行热疲劳可靠性仿真分析与寿命评估,发现通过改变PCB焊盘设计或更换CTE更匹配的板材,PBGA焊点平均寿命可以得到改善。

 

5.振动疲劳可靠性分析与寿命评估

参考JESD22-B103B标准文件,采用基于应力功率谱时域重构与雨流计数法的模型,对某CPU模块进行振动疲劳可靠性分析和焊点振动疲劳寿命评估,发现改变元器件的布局和PCB安装固定的方式,可以有利的降低CPU模块的振动可靠性风险,提高焊点的振动疲劳寿命。

 

6.热仿真分析与热设计

热仿真可以非常好的反映实际电子产品模块工作时的温度分布,可以在产品开发前期指导模块的元器件布局和封装结构设计,大大缩短开发周期,提高模块的可靠性。通过风扇的选取、风道的优化、元器件的布局、机箱结构的优化设计等实现了对某单相逆变器整机的热设计。

 

随着CAD/CAE软件的迅速发展,电子产品的设计开发与生产制造已越来越多地引入可靠性仿真技术,将结构静力学分析、动力学分析、热-力学分析、电磁—热分析、散热分析以及流场分析等,运用在产品设计与制造过程中,以节约产品开发与制造周期和成本的同时,提升产品的质量与可靠性。

 

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来源:赛宝