汽車應(yīng)用中如何通過(guò)FloTHERM熱仿真提升PCB可靠性設(shè)計(jì)

 汽車電子其實(shí)并非與其它復(fù)雜電子產(chǎn)品完全不同：多個(gè)中央處理器、網(wǎng)絡(luò)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集，以及極為復(fù)雜的PCB。汽車行業(yè)的設(shè)計(jì)壓力與其它類型的電子產(chǎn)品相似：設(shè)計(jì)時(shí)間短，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈。那么汽車電子與例如一些高端娛樂(lè)產(chǎn)品電子之間有什么區(qū)別？天壤之別！如果PCB在娛樂(lè)產(chǎn)品中發(fā)生故障，人們的性命不受威脅；但要是在汽車中發(fā)生故障，人們的性命就岌岌可危了。因此，汽車電子部件的可靠性設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮的一個(gè)主要方面。

 影響可靠性的最關(guān)鍵的一點(diǎn)（這里是就性能而言）是熱。集成電路(IC)過(guò)熱會(huì)隨時(shí)間出現(xiàn)問(wèn)題，汽車環(huán)境也會(huì)變得非常無(wú)情。例如，過(guò)熱發(fā)動(dòng)機(jī)艙里的部件，或開(kāi)車經(jīng)過(guò)從密歇根州冬季直至亞利桑那州夏季這樣的氣候。從IC封裝開(kāi)始，貫穿PCB，直至運(yùn)行環(huán)境下的完整產(chǎn)品，都應(yīng)能控制熱度。因此我們需要在設(shè)計(jì)的各個(gè)階段一直采用虛擬樣機(jī)功能，以確保我們有一個(gè)熱可靠的產(chǎn)品。

 首先IC供應(yīng)商通常分析元件包裝并提供熱特性模型。接著我們希望隨著設(shè)計(jì)展開(kāi)對(duì)單機(jī)PCB進(jìn)行分析。PCB設(shè)計(jì)人員通常需要其工作部件布局的分析，進(jìn)而確定是否他們制造出了一塊很難被冷卻的板子。而且此工作不只是粗略的考慮到板子帶有的器件熱耗散和位置分布。由于散熱路徑很多（散熱器、電路板內(nèi)層銅、傳遞、傳導(dǎo)和發(fā)散……），從PCB設(shè)計(jì)系統(tǒng)傳到熱分析的數(shù)據(jù)必須是完整的。分析軟件的設(shè)置和執(zhí)行也必須相當(dāng)直觀，因?yàn)槟阆Ｍ褂迷撥浖腜CB設(shè)計(jì)人員不必要是個(gè)熱學(xué)專家，并且不會(huì)延誤設(shè)計(jì)過(guò)程。

 但是最終的虛擬樣機(jī)必須在能預(yù)期的汽車環(huán)境下對(duì)最終產(chǎn)品外殼里的單個(gè)或多個(gè)PCB工況下執(zhí)行。這種分析常見(jiàn)于典型的機(jī)械計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(MCAD)系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品有完整物理定義的機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，完整定義包括外殼、安裝方法、散熱器和熱軌，及PCB等。機(jī)械設(shè)計(jì)人員接著使用有限元仿真FloTHERM軟件，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)并結(jié)合對(duì)流、輻射和熱傳導(dǎo)分析，來(lái)確定IC是否超出臨界溫度，以及是否可能引起可靠性或性能問(wèn)題。

 FloTHERMm.tyrp.net如今已經(jīng)擴(kuò)展到不僅能確定IC結(jié)溫溫度，還能給設(shè)計(jì)人員指導(dǎo)可能引起問(wèn)題的原因以及如何解決問(wèn)題。該軟件可找出“熱瓶頸”來(lái)顯示熱流路徑哪部分被限制。設(shè)計(jì)人員利用這一信息能找出可替代的元件安裝技術(shù)，以及PCB至外殼的更好熱傳導(dǎo)路徑等，從而緩解瓶頸。

深圳市有限元科技有限公司是Flotherm在中國(guó)的一級(jí)代理商，并代理國(guó)外其他多款cae軟件，有限元科技是以工程仿真軟件開(kāi)發(fā)為核心，集cae咨詢、cae培訓(xùn)、cae軟件研發(fā)與銷售為一體的高科技企業(yè)。公司秉承以最高質(zhì)量的產(chǎn)品和最高質(zhì)量的服務(wù)滿足客戶的各種需求的服務(wù)理念，致力于為客戶提供一站式cae整體解決方案，目前已為全國(guó)超過(guò)500家企業(yè)提供cae分析服務(wù)。如需購(gòu)買軟件或咨詢服務(wù)等請(qǐng)聯(lián)系電話：13632683051，QQ：2039363860/4006046636。

 另一個(gè)有價(jià)值的做法是確定“熱捷徑”，其能指出可加快散熱的潛在可能性設(shè)計(jì)方案。圖2的例子顯示了高熱IC的原始問(wèn)題以及解決問(wèn)題的捷徑確定。這種情況下在IC和外殼之間增加填充墊，能形成更直接的環(huán)境熱傳遞路徑。這個(gè)簡(jiǎn)單的變化能使IC溫度降低74%。

圖2–確定熱捷徑能引導(dǎo)設(shè)計(jì)人員做出改變，使散熱發(fā)生很大變化。

 在PCB設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域使用復(fù)雜熱分析能帶來(lái)更好的熱管理和可靠性，且無(wú)需建立和測(cè)試多種物理樣機(jī)。這節(jié)約了大量時(shí)間和費(fèi)用。另外，有了與設(shè)計(jì)系統(tǒng)緊密整合的方便易用的軟件，設(shè)計(jì)人員能快速利用多種“假設(shè)”場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并獲得性能更好的解決方案。m.tyrp.net

 高加速壽命測(cè)試

 車輛出現(xiàn)可靠性問(wèn)題的另一原因是PCB的持續(xù)振動(dòng)及隨后出現(xiàn)的組件引線和附件故障。一般可通過(guò)構(gòu)建樣機(jī)并將它們放置在加速室，使PCB發(fā)生振動(dòng)和溫度循環(huán)試驗(yàn)，以檢測(cè)是否出現(xiàn)故障。隨著設(shè)計(jì)的進(jìn)展，這種方法需要構(gòu)建多個(gè)樣機(jī)，并且通常需要幾周甚至幾個(gè)月的時(shí)間才能完成在加速室對(duì)汽車零部件預(yù)期壽命的模擬。這是一項(xiàng)非常耗時(shí)且費(fèi)用極高的過(guò)程，因此可靠性增強(qiáng)測(cè)試可能并不完整和全面。

 目前有軟件可以在虛擬樣機(jī)模式下開(kāi)展同樣的測(cè)試。設(shè)計(jì)人員可利用這種軟件對(duì)PCB進(jìn)行界定并輕松開(kāi)展損耗仿真實(shí)驗(yàn)。該軟件可在幾小時(shí)內(nèi)完成復(fù)雜的分析，并指出可能出現(xiàn)的故障（圖3）?？蓪?duì)這些故障進(jìn)行校正，并在新的設(shè)計(jì)版本中重新開(kāi)展模擬。這種反復(fù)的過(guò)程可迅速獲得合適的可靠性解決方案。以色列國(guó)防部早期成功將該軟件部署在他們的新一代戰(zhàn)車上。如果該軟件可以在戰(zhàn)車的極端環(huán)境下都對(duì)可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析，那么我將信賴其應(yīng)用在我的汽車上。

 圖3：軟件可以在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成振蕩、震動(dòng)和溫度循環(huán)故障分析，而在測(cè)試室內(nèi)則需要幾周甚至幾個(gè)月的時(shí)間。

 電源完整性分析保證高可靠性

 在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，電源完整性是一項(xiàng)越來(lái)越復(fù)雜的問(wèn)題。幾年前，所有的IC都是在5伏的電壓下工作，您只需要一個(gè)5V電源和接地層即可為零部件提供充足穩(wěn)定的電源。而如今，IC可在多個(gè)電壓模式下工作，電壓可低至0。9伏。因此，單個(gè)印刷電路板需要多個(gè)復(fù)雜的配電網(wǎng)來(lái)提供這些電壓和地線。為節(jié)省成本，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)人員不得不將這些多個(gè)配電網(wǎng)(PDN)放入盡可能少的接地層中。結(jié)果可能會(huì)出現(xiàn)像圖4一樣的配電網(wǎng)，內(nèi)部空間非常狹窄（頸部起伏），但又需要為IC提供高電平電流。

 圖4：HyperLynx電源完整性分析可確定高電平電流密度空間和可能出現(xiàn)的長(zhǎng)期印刷電路板故障

 空間狹窄可導(dǎo)致嚴(yán)重的可靠性問(wèn)題，而這一問(wèn)題可能幾年后才會(huì)顯現(xiàn)。電流過(guò)高會(huì)使空間溫度上升，從而導(dǎo)致PCB像保險(xiǎn)絲一樣燒壞或爆板。而目前可在軟件中對(duì)這些配電網(wǎng)進(jìn)行分析，并可確定虛擬樣機(jī)和高電平電流密度空間。然后設(shè)計(jì)人員便能夠?qū)臻g進(jìn)行擴(kuò)大或在相鄰層創(chuàng)建平行電流路徑，從而在維持IC充足電流供應(yīng)的同時(shí)解決這一問(wèn)題。

 在測(cè)試室內(nèi)通過(guò)使用物理樣機(jī)對(duì)電流密度問(wèn)題進(jìn)行測(cè)試并不實(shí)際，因?yàn)樗赡茉趲啄旰蟛拍芤l(fā)故障。而問(wèn)題可能永遠(yuǎn)不會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)，導(dǎo)致隨后出現(xiàn)這方面的故障。

 結(jié)論

 可靠性在汽車電子中非常重要，而如今鑒于來(lái)自產(chǎn)品上市時(shí)間和成本縮減的壓力，采取在軟件虛擬樣機(jī)環(huán)境中相對(duì)于測(cè)試室內(nèi)的物理樣機(jī)進(jìn)行分析的方法顯得愈發(fā)必要。目前因軟件的存在，從而使電子和機(jī)械設(shè)計(jì)人員可進(jìn)行更多的模擬仿真方案。

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