Печатные платы (PCB) — это не просто компоненты, это настоящая нервная система любого современного электронного устройства. От их надежности зависит работа всего изделия. Однако по мере роста сложности и плотности монтажа, традиционные, изолированные методы анализа — когда тепловые и механические расчеты проводятся отдельно, — перестали справляться с вызовами. Такой подход упускает из виду опасные взаимосвязи, ведущие к отказам.
Проблема в том, что распространенные виды поломок, такие как термический пробой, усталостные разрушения от вибрации или ползучесть компонентов из-за нагрева, редко имеют одну-единственную причину. Они рождаются на стыке физических явлений. Поэтому единственно верным решением для обеспечения реальной надежности становится синергия — комплексный анализ, где тепловые и механические процессы рассматриваются как единое целое. Только такой интегрированный подход, объединяющий EDA- и MCAD-системы, позволяет предвидеть и предотвратить каскадные отказы, гарантируя долговечность и стабильность конечного продукта.
Фундаментальные принципы, на которых строится анализ
Чтобы понять, как работает комплексный анализ, нужно сначала разобраться в его основе. Краеугольным камнем как теплового, так и механического моделирования является метод конечных элементов (Finite Element Method, FEM). Это мощная численная техника, которая позволяет решать сложнейшие физические задачи, «дробья» геометрию исследуемого объекта на миллионы простых элементов (треугольников, тетраэдров и т.д.) и решая для каждого из них базовые уравнения. Это превращает нерешаемую проблему в совокупность простых и понятных задач.
Тепловой анализ: три кита теплопередачи
В контексте печатной платы, управление теплом — это ключ к предотвращению отказа компонентов. Тепловой анализ фокусируется на трех основных механизмах:
- Теплопроводность: Передача тепла через твердые материалы, например, от горячего чипа через текстолит и медные дорожки.
- Конвекция: Передача тепла через движущуюся среду, как правило, воздух. Это основной способ, которым плата отдает тепло в окружающее пространство.
- Излучение: Передача тепла в виде электромагнитных волн. Этот механизм становится значимым при высоких температурах и в вакууме.
Для корректного моделирования система должна знать теплопроводность материалов, расположение источников тепла (мощность рассеивания компонентов) и граничные условия — температуру окружающей среды и то, как тепло уходит с поверхностей. Для улучшения теплоотвода часто используют радиаторы и специальные тепловые переходные отверстия (thermal vias).
Механический анализ: напряжения и деформации
Этот анализ определяет, как плата и ее компоненты будут реагировать на физические воздействия. Ключевые понятия здесь — это напряжение (внутренняя сила, возникающая в материале под нагрузкой) и деформация (изменение формы или размеров тела). Для расчета системе требуются такие свойства материалов, как модуль Юнга и коэффициент Пуассона, а также информация о приложенных нагрузках (например, от веса компонентов) и точках крепления платы. Особое внимание уделяется анализу вибраций, так как циклические нагрузки могут привести к усталостным разрушениям, особенно в местах пайки.
Синергия тепла и механики как ключ к надежности
Главная идея комплексного подхода заключается в том, что тепловые и механические процессы неразрывно связаны. Игнорирование этой связи — прямой путь к непредсказуемым отказам. Тепломеханическое сопряжение — это анализ того, как изменения температуры влияют на механическое состояние объекта, и наоборот.
Представьте простой пример: мощный процессор на печатной плате нагревается. Материал под ним и вокруг него начинает расширяться. Но разные материалы (текстолит, медь, припой, сам корпус чипа) имеют разные коэффициенты теплового расширения. Эта разница приводит к тому, что они расширяются по-разному. Если это дифференциальное расширение ограничено (а оно всегда ограничено жесткостью конструкции), в материалах возникают внутренние тепловые напряжения. Именно эти напряжения являются основной причиной разрушения паяных соединений.
Механическая целостность печатных плат может быть нарушена как из-за внешних механических напряжений, так и из-за внутреннего теплового расширения.
Существует и обратная связь. Например, сильная вибрация может ухудшить контакт между компонентом и его радиатором. Это, в свою очередь, приведет к нарушению теплоотвода, локальному перегреву и возможному термическому пробою. Только рассматривая эти процессы в связке, можно получить достоверную картину состояния устройства и гарантировать его надежность.
Этап первый, который определяет все – подготовка модели
Качество любого компьютерного анализа на 90% зависит от корректности исходной модели. Этот этап требует внимания и аккуратности, ведь мы создаем «цифрового двойника» нашей печатной платы. Процесс состоит из нескольких ключевых шагов.
- Импорт и упрощение геометрии. Современные MCAD-системы, такие как КОМПАС-3D, позволяют импортировать геометрию платы напрямую из EDA-систем (например, через формат IDF). Однако исходная модель часто перегружена мелкими деталями, не влияющими на тепловые или механические процессы, но значительно замедляющими расчет. Поэтому первым делом модель «чистят»: удаляют мелкие скругления, отверстия, крепеж и другие элементы, не участвующие в анализе.
- Задание свойств материалов. Для каждого элемента модели — от слоя текстолита и медной фольги до припоя и корпуса микросхемы — необходимо задать точные физические свойства. Для теплового анализа это теплопроводность, для механического — модуль Юнга, коэффициент Пуассона и плотность. Ошибка на этом этапе приведет к абсолютно неверным результатам.
- Построение сетки конечных элементов. Это критически важный шаг, на котором геометрия «разбивается» на миллионы простых элементов. Качество сетки напрямую влияет на точность моделирования. Слишком грубая сетка даст неточный результат, а слишком мелкая потребует огромных вычислительных ресурсов и времени. Задача инженера — найти баланс, сгущая сетку в наиболее ответственных зонах (например, в местах пайки или около горячих компонентов) и разрежая ее там, где градиенты температур и напряжений невелики.
Именно на этом этапе закладывается фундамент для точного и достоверного вычислительного эксперимента.
Моделируем тепловые нагрузки, от которых зависит работа платы
После того как «цифровой двойник» платы готов, его нужно «оживить» — поместить в условия, максимально приближенные к реальной эксплуатации. В модуле конечно-элементного анализа КОМПАС-3D APM FEM этот процесс включает задание тепловых нагрузок и граничных условий.
Первый шаг — определить источники тепла. Для каждого греющегося компонента (процессора, стабилизатора напряжения, силового транзистора) необходимо задать мощность рассеивания в ваттах. Эту информацию обычно можно найти в технической документации (datasheet) на компонент.
Второй и не менее важный шаг — задать граничные условия, то есть описать, как плата взаимодействует с окружающей средой:
- Конвекция: Указывается температура окружающей среды и коэффициент теплоотдачи для каждой поверхности. Этот коэффициент зависит от множества факторов, например, от наличия и скорости воздушного потока (естественная конвекция в закрытом корпусе или принудительный обдув вентилятором).
- Излучение: Для поверхностей с высокой температурой необходимо учесть теплоотдачу путем излучения, указав степень черноты материала.
- Контактный теплообмен: Если плата контактирует с корпусом или радиатором, необходимо задать условия передачи тепла в этих точках.
Наконец, нужно выбрать тип анализа. Стационарный анализ подходит для определения установившегося теплового режима, когда все температуры стабилизировались. Если же важно понять, как плата нагревается с течением времени (например, в момент включения), используется транзиентный (нестационарный) тепловой анализ. Он позволяет смоделировать динамику изменения температуры и выявить пиковые значения.
Как задать механические воздействия для реальных условий
Чтобы получить полную картину напряженно-деформированного состояния, к уже заданной тепловой картине необходимо добавить механические воздействия. Симуляция должна отражать реальные условия, в которых будет эксплуатироваться устройство.
Процесс задания механических условий в КОМПАС-3D состоит из двух основных частей:
- Приложение нагрузок. Это силы, которые действуют на плату и ее компоненты. Нагрузки могут быть разными:
- Статические силы: Например, вес тяжелых компонентов (трансформаторов, крупных конденсаторов), который вызывает постоянный изгиб платы.
- Инерционные нагрузки (ускорения): Это ключевой параметр для анализа воздействия ударов и вибраций. Задавая ускорение в разных направлениях, можно смоделировать падение устройства, его транспортировку или работу на движущемся объекте.
- Давление: Актуально, если плата находится в герметичном корпусе с перепадом давлений.
- Определение закреплений. Необходимо точно указать, как плата крепится к корпусу. Это могут быть отверстия под винты, направляющие в слотах или точки опоры. Неправильно заданные закрепления (граничные условия) могут полностью исказить картину деформаций и напряжений.
Особое внимание следует уделить анализу вибраций. Для электроники, используемой в аэрокосмической, автомобильной и промышленной сферах, это критически важный расчет. Он позволяет определить собственные частоты колебаний платы. Если эти частоты совпадут с частотой внешних вибраций, возникнет резонанс, который может быстро привести к усталостному разрушению паяных соединений и выводов компонентов.
Запуск расчета и искусство чтения результатов
Когда все входные данные заданы — геометрия, материалы, сетка, тепловые и механические нагрузки — наступает момент запуска вычислительного эксперимента. Современные CAE-системы, такие как КОМПАС-3D, берут на себя сложные вычисления, но главная работа инженера-аналитика начинается после их завершения. Получить цветные картинки — это не цель. Цель — правильно их интерпретировать.
Инструменты визуализации позволяют детально изучить результаты моделирования. Вот на что нужно смотреть в первую очередь:
- Карты распределения температур: Это первое, что анализируют после теплового расчета. Они наглядно показывают «горячие точки» — зоны локального перегрева. С их помощью можно оценить эффективность радиаторов и общей системы охлаждения, убедившись, что температура ключевых компонентов не превышает допустимых пределов.
- Контуры напряжений (например, по Мизесу): Эта эпюра показывает, в каких частях платы и паяных соединений возникают наибольшие механические напряжения. Зоны с высокой концентрацией напряжений являются потенциальными местами для образования трещин и разрушений.
- Графики перемещений и деформаций: Показывают, насколько сильно изгибается и деформируется плата под действием нагрузок. Это важно для оценки зазоров с корпусом и для понимания механического воздействия на хрупкие SMT-компоненты.
Ключевой этап, которым многие пренебрегают, — это верификация результатов. Результаты моделирования всегда должны быть проверены. Их можно сравнить с упрощенными аналитическими расчетами или, что еще лучше, с данными экспериментальных измерений на реальном образце. Только после такой проверки можно быть уверенным в адекватности созданной модели.
Таким образом, анализ результатов — это не пассивное наблюдение, а активный процесс, требующий понимания физики и инженерного опыта.
Пройдя весь путь от теоретических основ до анализа конкретных результатов, мы видим, что интегрированный подход — это не просто усложнение расчетов. Это переход на новый уровень проектирования. Резюмируя ключевые этапы — создание корректной модели, задание реалистичных тепловых и механических нагрузок и вдумчивый анализ полученных данных — мы получаем мощнейший инструмент в руки инженера.
Вычислительный эксперимент, проведенный в среде КОМПАС-3D, позволяет заглянуть внутрь работающего устройства и увидеть процессы, недоступные для прямого наблюдения. Такая возможность дает огромный экономический эффект. Она позволяет выявить и устранить конструктивные просчеты еще до изготовления первого физического прототипа, сокращая расходы на дорогостоящие натурные испытания и, как следствие, уменьшая общее время разработки. Освоение этого метода — это прямой и самый эффективный путь к созданию по-настоящему надежной и конкурентоспособной электронной аппаратуры.
Список использованной литературы
- ИСО 9004-1-94 Управление качеством и элементы системы качества.
- Норенков, И. П. Основы теории и проектирования САПР / И. П. Но-ренков, В. Б. Маничев. – Москва : Высшая школа, 1990. – 335 с.
- ГОСТ 26246.11-89 Материал электроизоляционный фольгированный тонкий нормированной горючести для многослойных печатных плат на основе стеклоткани, пропитанным эпоксидным связующим. – Введ. 31.10 2002. – Москва : ИПК Издательство стандартов, 2002. – 7 с.
- Ли, К. Основы САПР (CAD/CAM/CAE) / К. Ли. – Санкт-Петербург : Питер, 2004. – 560с.
- Автоматизированное проектирование средств и систем управления / Е. Е. Носкова, Д. В. Капулин, Ю. В. Краснобаев, С. В. Ченцов. – Красноярск : ИПК СФУ, 2009. – 266 с.
- Маквецов, Е. Н. Механические воздействия и защита радиоэлектронной аппаратуры / Е. Н. Маквецов, А. М. Тартаковский. – Москва: Радио и связь, 1993. – 200 с.
- Дульнев, Г. Н. Методы расчета теплового режима приборов / Г. Н. Дульнев, В. Г. Парфенов, А. В. Сигалов. – Москва : Радио и связь, 1990. – 306 с.
- Кофанов, Ю. Н. Компьютерные технологии в приборостроении / Ю. Н. Кофанов, А. В. Сарафанов, С. И. Трегубов. – Красноярск : ИПК СФУ, 2008. – 225 с.
- Качалова, А. М. Инженерный анализ конструкций электронных модулей первого уровня на механические и тепловые воздействия средствами САПР SOLID EDGE / А. М. Качалова, А. Е. Курносенко. – Москва : ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Н. Э. Баумана», 2015. – 13 с.
- APM FEM Система прочностного анализа для Компас-3D [Электронный ресурс] : руководство пользователя. – Режим доступа: http://kompas.ru/source/info_materials/2014_-_01-amp-fem-rukovodstvo-polsovatelya.pdf
- Лоскутова, А. Г. Информационная поддержка теплового контроля полученных конструктивных решений при проектировании электронных устройств [Электронный ресурс] / А. Г. Лоскутова, Е. Е. Носкова. – Режим доступа: http://www.sfu-kras.ru/docs/8127/pdf/248900