Simulace vibrací a zrychlení v programu Xpedition zvyšuje spolehlivost desek

Společnost Mentor Graphics vybavila svůj systém Xpediton pro návrh DPS novým simulačním nástrojem pro analýzy vlivu vibrací a zrychlení na mechanické namáhání navrhovaných desek plošných spojů.

Mnohé dnešní elektronické výrobky operují nepřetržitě a po dlouhou dobu v extrémních podmínkách. Únava materiálu vystaveného mechanickému pnutí způsobuje až 20 % selhání desek plošných spojů během prvního roku jejich provozu. Tato situace vede k dodatečným nákladům na záruční opravy a úpravy navržených desek.

Tradiční fyzické testy HALT ( Highly Accelerated Lifecycle Testing – zrychlené testování životního cyklu) jsou prováděny až na prototypech před zahájením hromadné výroby za účasti expertních techniků, což bývá nákladné i časově náročné. Proto se možnost provádět simulace a analýzy již během návrhu desky jeví jako velmi výhodná, protože umožňuje provést opravu návrhu ještě v počáteční fázi vývoje.

Obr. 1 Vizualizace mechanického pnutí desky v systému Xpedition

Nový simulátor v programu Xpedition provádí dvě analýzy zaměřené na mechanické namáhání desky a součástek: vibrační a konstantního zrychlení. Pnutí v materiálu, které způsobují vibrace a zrychlení, a únava materiálu s tím spojená, se prakticky projevuje na vývodech součástek a dotykových místech vývodů součástek.

Obr. 2 Nadměrné pnutí ve vývodech QFN pouzdra

Aby bylo možné určit, která součástka může kvůli vibracím selhat, potřebují návrháři identifikovat kmitočet vibrací nebo přirozený stav desky. Kromě toho je také potřeba určit bezpečnostní faktor jednotlivých součástek vzhledem k jejich mechanickému namáhání. Prováděné simulace jsou založeny na lineárních statických analýzách, které umožňují identifikovat možné problémy se spolehlivostí tím, že na desku plošných spojů aplikují síly. Analýzou pnutí v desce je možné získat informace o bezpečnostním faktoru součástek, mechanickém napětí von‑Mises na úrovni vývodu součástek, stejně jako o deformaci vývodu součástek. V průběhu simulace může uživatel programu Xpedition aplikovat zrychlující zátěž ve všech směrech, což umožňuje definovat, kde bude mít deska pnutí během provozu.

Obr. 3 Jeden z mnoha 3D modelů v knihovně Xpedition pro potřeby simulace

Aby se mohla simulace provést, obsahuje Xpedition rozsáhlou knihovnu součástek, která se skládá z přibližně 4 tisíc unikátních Mechanických 3D prvků, které se dají jednoduše mapovat na 2D pouzdra součástek v databázi. Při simulaci je analyzovaná deska i se součástkami a mechanickými částmi automaticky rozdělena simulační mřížkou (mesh). Simulace probíhá velmi rychle, když zvládne i tisíc součástek za minutu, včetně mechanických částí na desce. Díky integrovanému průvodci je nastavení simulace jednoduché a rychlé.

Díky novým simulacím a analýzám při návrhu DPS v programu Xpedition lze efektivně snížit počet desek, které by v provozu mohly mít problém se spolehlivostí. Detailněji metodu těchto simulací vysvětluje článek „Reducing PCB failure rates due to vibration and acceleration“ [2].

Odkazy:

[1] https://www.mentor.com/pcb/xpedition/vibration-analysis/

[2] https://www.mentor.com/pcb/