CN108197385A - Pcb可靠性的预测方法、装置及计算机设备 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种PCB可靠性的预测方法、装置、计算机可读存储介质及计算机设备，所述方法包括：基于目标PCB的层叠结构信息构建PCB结构模型，所述PCB结构模型包括基板模型、铜箔层模型及导孔模型；基于所述目标PCB的材料使用信息为所述PCB结构模型中的基板模型、铜箔层模型及导孔模型配置热性能参数，获得PCB仿真模型；获取所述目标PCB的温度场仿真结果，所述温度场仿真结果基于预定的温度模拟参数和所述PCB仿真模型进行热模拟仿真生成；获取所述目标PCB的应力场仿真结果，所述应力场仿真结果基于所述温度场仿真结果生成；基于所述应力场仿真结果对所述目标PCB的可靠性进行预测。本申请提供的方案能够有效地提高预测的效率。
Description
技术领域
本申请涉及电子技术领域，特别是涉及一种PCB可靠性的预测方法、装置、计算机可读存储介质及计算机设备。
背景技术
PCB(Printed Circuit Board，印制电路板)是电子设备的重要组成部分，用于支撑元器件，以及实现各元器件之间的电气连接。
随着电子技术的不断发展，电子设备逐渐走向轻薄化、微型化及高性能化，PCB需承载的元器件的数量越来越多，排布越来越紧凑，且整体功耗越来越大。并且，PCB在贴装和使用过程中都会面临各种高温条件。因而，PCB出现可靠性风险的几率越来越大。在此情况下，在PCB投入实际使用之前，需要对PCB板在设计端有必要进行相关可靠性预测分析，从而提升其在终端的使用可靠性。
传统方法通过对PCB样板进行反复试验及调整，以此预测PCB的可靠性。然而，传统方法需要耗费大量的时间和成本，且效率低下。
发明内容
基于此，有必要针对传统方法中效率低、成本高的技术问题，提供一种PCB可靠性的预测方法、装置、计算机可读存储介质及计算机设备。
一种PCB可靠性的预测方法，包括：
基于目标PCB的层叠结构信息构建PCB结构模型，所述PCB结构模型包括基板模型、铜箔层模型及导孔模型；
基于所述目标PCB的材料使用信息为所述PCB结构模型中的基板模型、铜箔层模型及导孔模型配置热性能参数，获得PCB仿真模型；
获取所述目标PCB的温度场仿真结果，所述温度场仿真结果基于预定的温度模拟参数和所述PCB仿真模型进行热模拟仿真生成；
获取所述目标PCB的应力场仿真结果，所述应力场仿真结果基于所述温度场仿真结果生成；
基于所述应力场仿真结果对所述目标PCB的可靠性进行预测。
在一个实施例中，生成所述温度场仿真结果的方式，包括：
对所述PCB仿真模型进行微元化分割处理，获得网格分割单元；
基于预定的温度模拟参数和各网格分割单元进行热模拟仿真，生成所述温度场仿真结果。
在一个实施例中，生成所述应力场仿真结果的方式，包括：
基于所述温度场仿真结果进行热力耦合分析，生成所述应力场仿真结果。
在一个实施例中，所述基于所述应力场仿真结果对所述目标PCB的可靠性进行预测的步骤，包括：
基于所述应力场仿真结果确定所述目标PCB的应力集中位置；
基于所述应力集中位置对所述目标PCB的可靠性进行预测。
在一个实施例中，所述热性能参数包括导热系数、杨氏模量、膨胀系数和泊松比。
一种PCB可靠性的预测装置，包括：
结构模型构建模块，用于基于目标PCB的层叠结构信息构建PCB结构模型，所述PCB结构模型包括基板模型、铜箔层模型及导孔模型；
性能参数配置模块，用于基于所述目标PCB的材料使用信息为所述PCB结构模型中的基板模型、铜箔层模型及导孔模型配置热性能参数，获得PCB仿真模型；
温度场结果获取模块，用于获取所述目标PCB的温度场仿真结果，所述温度场仿真结果基于预定的温度模拟参数和所述PCB仿真模型进行热模拟仿真生成；
应力场结果获取模块，用于获取所述目标PCB的应力场仿真结果，所述应力场仿真结果基于所述温度场仿真结果生成；
可靠性预测模块，用于基于所述应力场仿真结果对所述目标PCB的可靠性进行预测。
在一个实施例中，所述温度场仿真结果基于预定的温度模拟参数和各网格分割单元进行热模拟仿真生成，所述网格分割单元为对所述PCB仿真模型进行微元化分割处理获得。
在一个实施例中，所述应力场仿真结果基于所述温度场仿真结果进行热力耦合分析生成。
在一个实施例中，所述可靠性预测模块，包括：
集中位置确定单元，用于基于所述应力场仿真结果确定所述目标PCB的应力集中位置；
可靠性预测单元，用于基于所述应力集中位置对所述目标PCB的可靠性进行预测。
在一个实施例中，所述热性能参数包括导热系数、杨氏模量、膨胀系数和泊松比。
一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上所述的PCB可靠性的预测方法的步骤。
一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如上所述的PCB可靠性的预测方法的步骤。
本申请各实施例提供的PCB可靠性的预测方法、装置、计算机可读存储介质及计算机设备，基于仿真模型预测PCB的可靠性，相较于传统的反复试验及调整的方法，能够有效地节省时间、人力及物力成本。此外，仿真时构建的模型涉及基板、铜箔层及导孔，建模的精确性高，可靠性预测的准确度高。并且，基于温度场仿真结果获得应力场仿真结果，能够准确表征实际应用中PCB受到高温影响而发生内部膨胀，从而准确地评估PCB所采用的叠层结构设计和所使用的材料是否能匹配实际应用环境。
附图说明
图1为一个实施例中PCB可靠性的预测方法的流程示意图；
图2为一个实施例中PCB可靠性的预测装置的结构框图；
图3为一个实施例中计算机设备的结构框图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本申请各实施例提供的PCB可靠性的预测方法的应用环境可以涉及用户终端或服务器。其中，用户终端可以为台式终端或移动终端，移动终端具体可以包括手机、平板电脑、笔记本电脑和穿戴式设备等中的至少一种。服务器可以是独立的物理服务器，也可以是多个物理服务器构成的服务器集群。
如图1所示，在一个实施例中，提供了一种PCB可靠性的预测方法。本实施例主要以该方法应用于上述用户终端为例进行说明。参照图1，该方法具体可包括如下步骤S102～S106。
S102，基于目标PCB的层叠结构信息构建PCB结构模型，所述PCB结构模型包括基板模型、铜箔层模型及导孔模型。
其中，目标PCB指的是待预测可靠性的PCB。可以理解的是，目标PCB可以指已生产制造的实际PCB，也可以指还未进行生产制造的PCB设计。
目标PCB的层叠结构信息，可以包括目标PCB的基板的结构信息、铜箔层的结构信息以及导孔的结构信息。其中，PCB组件(基板、铜箔层和导孔)的结构信息可以包括目标PCB内该PCB组件的数量信息、尺寸信息以及该PCB组件与该目标PCB中的其他组件的相关关系。其中，该PCB组件与该目标PCB中的其他组件的相关关系可以包括：该PCB组件与其他组件的连接关系和位置关系。此外，对于基板和铜箔层，尺寸信息可以包括长度信息、宽度信息和厚度信息，对于导孔，尺寸信息可以包括孔径信息和孔深信息。
此外，对于目标PCB而言，按类型划分，导孔可以包括通孔、埋孔和盲孔。基于此，构建获得的PCB结构模型中，导孔模型也包括通孔模型、埋孔模型和盲孔模型。
可以理解的是，可以基于目标PCB的层叠结构信息，构建与该目标PCB对应的PCB结构模型。在一个具体示例中，可以直接在仿真软件(如ANSYS软件和ABAQUS软件)中构建PCB结构模型，具体地，可先绘制平面图，然后通过拉伸、旋转等方式进行三维建模，再通过切割、嵌套等方式进行细节结构的构建。在另一个具体示例中，也可以导出PCB绘制软件(如GENESE软件)中已绘制好的PCB设计图，进而在基于导出的PCB设计图进行三维建模，可以理解的是，该示例能能够快速且准确地完成建模。
S104，基于所述目标PCB的材料使用信息为所述PCB结构模型中的基板模型、铜箔层模型及导孔模型配置热性能参数，获得PCB仿真模型。
需要说明的是，在高温影响下，PCB会发生板材膨胀，从而影响该PCB的可靠性。并且，对于具有不同的结构和/或不同的材料的PCB而言，它们受高温影响的情况有所不同。
基于此，本实施例中，基于目标PCB的材料使用信息为PCB结构模型中的基板模型、铜箔层模型及导孔模型配置热性能参数。通俗地说，即获知PCB结构模型中的各模型组件(基板模型、铜箔层模型及导孔模型)对应何种物质材料，以及该物质材料的热性能参数的具体情况。例如，PCB结构模型中的某一基板模型对应树脂材料，且具体为耐燃等级为FR-4的树脂材料(下文简称FR-4材料)。
此外，对于通过ANSYS软件进行仿真的情况，即在该ANSYS软件的相关参数输入窗口，为PCB结构模型中的各模型组件输入与之对应的热性能参数。可以理解的是，参数输入完成后，ANSYS软件即能够知晓PCB结构模型中的各模型组件对应何种物质材料，以及该物质材料的热性能参数的具体情况。
在一个具体示例中，所述热性能参数包括但不限于：导热系数、杨氏模量、膨胀系数和泊松比。
可以理解的是，上述PCB仿真模型可用于表征目标PCB所采用的层叠结构设计以及所使用的材料。
S106，获取所述目标PCB的温度场仿真结果，所述温度场仿真结果基于预定的温度模拟参数和所述PCB仿真模型进行热模拟仿真生成。
需要说明的是，物体内各个点上温度的集合称为温度场，它反映了温度在空间和时间上的分布。相应地，温度场仿真结果，可以用于表征在预定仿真条件下，目标PCB的温度分布情况，此外，基于温度场仿真结果可以获得目标PCB上各点的温度。
此外，在实际应用中，PCB在贴装和使用过程中会受到温度的影响，具体地，在高温影响下，PCB会发生板材膨胀，进而影响PCB的可靠性。
基于此，本实施例中，在进行可靠性预测的过程中考虑目标PCB的温度场的情况，即获得目标PCB的温度场仿真结果。在一个具体示例中，可以在ANSYS软件的热分析功能模块中输入预定的温度模拟参数，进而ANSYS软件可以基于该温度模拟参数和PCB仿真模型进行热模拟仿真，可以理解的是，热模拟仿真即是模拟PCB在实际应用中所处的温度环境，则可以理解的是，温度模拟参数可基于实际需求进行设定。
S108，获取所述目标PCB的应力场仿真结果，所述应力场仿真结果基于所述温度场仿真结果生成。
需要说明的是，物体内各个点上应力的集合称为应力场，它反映了应力在空间和时间上的分布。相应地，应力场仿真结果，可以用于表征在预定仿真条件下，目标PCB的应力分布情况，此外，基于应力场仿真结果可以获得目标PCB上各点的应力。
本实施例中，在进行可靠性预测的过程中考虑目标PCB的应力场的情况，即获得目标PCB的应力场仿真结果。需要说明的是，在温度作用下，PCB内的各PCB组件所使用的物质材料不同，由于各物质材料的热性能属性不同，因此，各PCB组件受热膨胀的程度也不相同，相应地，各个PCB组件受到的应力也不相同。
基于此，本实施例中，应力场仿真结果基于温度场仿真结果生成。在一个具体示例中，可以在ANSYS软件的应力分析功能模块中输入温度场仿真结果，进而ANSYS软件可以基于该温度场仿真结果获得应力场仿真结果。
S110，基于所述应力场仿真结果对所述目标PCB的可靠性进行预测。
需要说明的是，获知目标PCB的应力场仿真结果后，即可对目标PCB的可靠性进行预测。可以理解的是，当预测目标PCB的可靠性不高时，相关PCB设计人员即可调整该目标PCB的层叠结构设计或是所使用的材料，将进行一次预测，基于多次预测的结果，即可对不同层叠结构设计和不同使用的材料对应的可靠性进行对比分析，以使得相关PCB设计人员为目标PCB找到最为匹配的层叠结构设计和使用材料。
上述PCB可靠性的预测方法，基于仿真模型预测PCB的可靠性，相较于传统的反复试验及调整的方法，能够有效地节省时间、人力及物力成本。此外，仿真时构建的模型涉及基板、铜箔层及导孔，建模的精确性高，可靠性预测的准确度高。并且，基于温度场仿真结果获得应力场仿真结果，能够准确表征实际应用中PCB受到高温影响而发生内部膨胀，从而准确地评估PCB所采用的叠层结构设计和所使用的材料是否能匹配实际应用环境。
为进一步对本申请的方案进行更详细的说明，下文对本申请的一些可选实施例进行具体描述或举例说明。
在一个实施例中，生成所述温度场仿真结果的方式，包括：
对所述PCB仿真模型进行微元化分割处理，获得网格分割单元；
基于预定的温度模拟参数和各网格分割单元进行热模拟仿真，生成所述温度场仿真结果。
需要说明的是，基于ANSYS软件进行仿真时，可以采用有限元仿真方法进行仿真。
具体地，ANSYS软件会基于获得的分割参数对PCB仿真模型进行微元化分割处理，获得网格分割单元，再基于预定的温度模拟参数和各网格分割单元进行热模拟仿真，生成温度场仿真结果。
此外，还需要说明的是，分割得越细，生成的温度场的仿真结果越精确。当然，消耗的计算资源也就越大，即对用户终端的要求越高。基于此，分割参数可以由用户基于实际需要及软件条件进行设定。
在一个实施例中，生成所述应力场仿真结果的方式，包括：
基于所述温度场仿真结果进行热力耦合分析，生成所述应力场仿真结果。
需要说明的是，热力耦合过程指的是应力场与温度场两个物理场之间相互影响的过程，即温度对受力变形有影响，同时受力变形对温度变化也有影响。此外，热力耦合分析可以采用任一可能的方式实现，此处不加限定。例如，在ANSYS软件中，可采用间接法或直接法进行热力耦合分析。其中，间接法可以是，先对PCB仿真模型进行稳态热分析，然后将热单元转化成结构单元，施加外部约束，分析其热应力。
在一个实施例中，所述基于所述应力场仿真结果对所述目标PCB的可靠性进行预测的步骤，包括：
基于所述应力场仿真结果确定所述目标PCB的应力集中位置；
基于所述应力集中位置对所述目标PCB的可靠性进行预测。
可以理解的是，应力集中位置往往是使用过程中可靠性问题最先爆发的位置，故可以基于应力集中位置对目标PCB的可靠性进行预测。在实际应用中，相关PCB设计人员需要对应力集中位置进行设计优化，以提升PCB整体的可靠性。
在一个具体示例中，应力集中位置可以指目标PCB上应力最大的位置。
基于与上述方法相同的思想，在一个实施例中，还提供一种PCB可靠性的预测装置200，如图2所示，所述预测装置200可以包括：
结构模型构建模块202，用于基于目标PCB的层叠结构信息构建PCB结构模型，所述PCB结构模型包括基板模型、铜箔层模型及导孔模型；
性能参数配置模块204，用于基于所述目标PCB的材料使用信息为所述PCB结构模型中的基板模型、铜箔层模型及导孔模型配置热性能参数，获得PCB仿真模型；
温度场结果获取模块206，用于获取所述目标PCB的温度场仿真结果，所述温度场仿真结果基于预定的温度模拟参数和所述PCB仿真模型进行热模拟仿真生成；
应力场结果获取模块208，用于获取所述目标PCB的应力场仿真结果，所述应力场仿真结果基于所述温度场仿真结果生成；
可靠性预测模块210，用于基于所述应力场仿真结果对所述目标PCB的可靠性进行预测。
本申请各实施例提供的PCB可靠性的预测装置，基于仿真模型预测PCB的可靠性，相较于传统的反复试验及调整的方法，能够有效地节省时间、人力及物力成本。此外，仿真时构建的模型涉及基板、铜箔层及导孔，建模的精确性高，可靠性预测的准确度高。并且，基于温度场仿真结果获得应力场仿真结果，能够准确表征实际应用中PCB受到高温影响而发生内部膨胀，从而准确地评估PCB所采用的叠层结构设计和所使用的材料是否能匹配实际应用环境。
在一个实施例中，所述温度场仿真结果基于预定的温度模拟参数和各网格分割单元进行热模拟仿真生成，所述网格分割单元为对所述PCB仿真模型进行微元化分割处理获得。
在一个实施例中，所述应力场仿真结果基于所述温度场仿真结果进行热力耦合分析生成。
在一个实施例中，所述可靠性预测模块210，包括：
集中位置确定单元，用于基于所述应力场仿真结果确定所述目标PCB的应力集中位置；
可靠性预测单元，用于基于所述应力集中位置对所述目标PCB的可靠性进行预测。
在一个实施例中，所述热性能参数包括导热系数、杨氏模量、膨胀系数和泊松比。
图3示出了一个实施例中计算机设备的内部结构图。该计算机设备具体可以是用户终端或服务器。以该计算机设备为用户终端为例，如图3所示，该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、输入装置和显示屏。其中，存储器包括非易失性存储介质和内存储器。该计算机设备的非易失性存储介质存储有操作系统，还可存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，可使得处理器实现PCB可靠性的预测方法。该内存储器中也可储存有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，可使得处理器执行PCB可靠性的预测方法。计算机设备的显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，计算机设备的输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算机设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。
本领域技术人员可以理解，图3中示出的结构，仅仅是与本申请方案相关的部分结构的框图，并不构成对本申请方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
据此，一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行本申请各实施例提供的PCB可靠性的预测方法的步骤。
在一个实施例中，本申请提供的PCB可靠性的预测装置可以实现为一种计算机程序的形式，计算机程序可在如图3所示的计算机设备上运行。计算机设备的存储器中可存储组成PCB可靠性的预测装置的各个程序模块，比如，图2所示的结构模型构建模块202、性能参数配置模块204和温度场结果获取模块206、应力场结果获取模块208和可靠性预测模块210。各个程序模块构成的计算机程序使得处理器执行本说明书中描述的本申请各个实施例的PCB可靠性的预测方法中的步骤。
例如，图3所示的计算机设备可以通过如图2所示的PCB可靠性的预测装置中的结构模型构建模块202执行步骤S102，通过性能参数配置模块204执行步骤S104，通过温度场结果获取模块206执行步骤S106等等。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。
据此，一个实施例中还提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行本申请各实施例提供的PCB可靠性的预测方法的步骤。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种PCB可靠性的预测方法，其特征在于，包括：
基于目标PCB的层叠结构信息构建PCB结构模型，所述PCB结构模型包括基板模型、铜箔层模型及导孔模型；
基于所述目标PCB的材料使用信息为所述PCB结构模型中的基板模型、铜箔层模型及导孔模型配置热性能参数，获得PCB仿真模型；
获取所述目标PCB的温度场仿真结果，所述温度场仿真结果基于预定的温度模拟参数和所述PCB仿真模型进行热模拟仿真生成；
获取所述目标PCB的应力场仿真结果，所述应力场仿真结果基于所述温度场仿真结果生成；
基于所述应力场仿真结果对所述目标PCB的可靠性进行预测。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，生成所述温度场仿真结果的方式，包括：
对所述PCB仿真模型进行微元化分割处理，获得网格分割单元；
基于预定的温度模拟参数和各网格分割单元进行热模拟仿真，生成所述温度场仿真结果。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，生成所述应力场仿真结果的方式，包括：
基于所述温度场仿真结果进行热力耦合分析，生成所述应力场仿真结果。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述应力场仿真结果对所述目标PCB的可靠性进行预测的步骤，包括：
基于所述应力场仿真结果确定所述目标PCB的应力集中位置；
基于所述应力集中位置对所述目标PCB的可靠性进行预测。
5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，所述热性能参数包括导热系数、杨氏模量、膨胀系数和泊松比。
6.一种PCB可靠性的预测装置，其特征在于，包括：
结构模型构建模块，用于基于目标PCB的层叠结构信息构建PCB结构模型，所述PCB结构模型包括基板模型、铜箔层模型及导孔模型；
性能参数配置模块，用于基于所述目标PCB的材料使用信息为所述PCB结构模型中的基板模型、铜箔层模型及导孔模型配置热性能参数，获得PCB仿真模型；
温度场结果获取模块，用于获取所述目标PCB的温度场仿真结果，所述温度场仿真结果基于预定的温度模拟参数和所述PCB仿真模型进行热模拟仿真生成；
应力场结果获取模块，用于获取所述目标PCB的应力场仿真结果，所述应力场仿真结果基于所述温度场仿真结果生成；
可靠性预测模块，用于基于所述应力场仿真结果对所述目标PCB的可靠性进行预测。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述可靠性预测模块，包括：
集中位置确定单元，用于基于所述应力场仿真结果确定所述目标PCB的应力集中位置；
可靠性预测单元，用于基于所述应力集中位置对所述目标PCB的可靠性进行预测。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述热性能参数包括导热系数、杨氏模量、膨胀系数和泊松比。
9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
10.一种计算机设备，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1至7中任一项所述方法的步骤。
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