CN115345121A - 一种印制电路板全生命周期数值仿真方法和系统 - Google Patents

一种印制电路板全生命周期数值仿真方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于印制电路板技术领域，提供了一种印制电路板全生命周期数值仿真方法和系统。其中，该方法包括获取PCB的材料性能参数及制造过程的初边值条件，基于PCB制造过程有限元模型得到PCB制造过程数值仿真输出和存储数字信息的模型数据库文件；将PCB制造过程数值仿真输出的模型数据库文件所存储的数字信息作为PCB使役过程数值仿真的初始条件，并在PCB使役过程数值仿真初始时刻进行力学平衡的自适应调整，从而实现多物理场的继承和数值计算的继续进行；在力学平衡自适应调整后，基于PCB使役过程有限元模型对PCB使役工况进行数值仿真，最终实现PCB从制造过程到使役过程的全流程数值分析，以预测PCB全生命周期内的质量可靠性。

Description

一种印制电路板全生命周期数值仿真方法和系统
技术领域
本发明属于印制电路板技术领域，尤其涉及一种印制电路板全生命周期数值仿真方法和系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
印制电路板(Printed Circuit Board，简称PCB)作为现代电子产品的重要组成部分，在实现各种电子元器件之间的电气互联和数字信号的传输中发挥着重要作用，尤其具备承载大尺寸芯片和实现芯片与电路板的高速信号传输的作用。PCB通过在绝缘基材上加金属材料作导线的方法，降低了复杂电路的实现难度和制作成本，因此PCB出现后，迅速在电子元器件的互连中占据主导地位。目前制造PCB需要经历原材料的选取、叠板、压合成型、铣削、钻孔、孔金属化、表层线路区域电镀增厚、表层非线路区域蚀刻、阻焊油墨处理、回流焊接、表面组装和电气性能测试等工艺流程；之后进入PCB的使役过程，又可能面临高低温交变、电磁辐射、碰撞冲击等复杂环境。
PCB的原材料包括铜箔、半固化片和覆铜箔层压板，铜箔的厚度用OZ表示，1OZ＝35μm＝0.035mm。半固化片又称PP片或预浸料，由树脂和增强材料组成；树脂常用环氧树脂，增强材料常用电子级玻璃纤维编织布。在制造过程中，PCB的材料性能参数将随着时间和温度发生多次改变，尤其是经历高温和高压下的树脂软化流动和化学交联固化反应，树脂一方面填充金属图案的空谷，另一方面因化学反应而发生体积收缩效应、因受热而发生体积膨胀效应，这导致压合成型后的PCB产生脱模变形；此外，经历钻孔、蚀刻、电镀、铣削等工序后PCB的物理结构发生改变，内部残余应力的释放也会使PCB产生翘曲变形；回流焊期间受到面内和层间非均匀、非稳态温度影响，非均匀的温度场、异质材料的不同热膨胀系数使得材料热变形程度不同，加剧了PCB在高温下的翘曲变形，回流焊结束冷却至室温后PCB还存在残余内应力。PCB的翘曲也称为扭曲和弯曲，是指原本平整的电路板，放置水平桌面时两端或中间出现微微往上翘起的现象。IPC标准规定，生产电路板允许最大翘曲和扭曲为0.75％到1.5％之间，但因每家工厂的制程能力不同，对于PCB翘曲的控制要求也存在差异。PCB严重的翘曲将影响表面贴装自动生产线的顺利进行。
在使役过程中，PCB受到温度循环或电源循环等过程，易于发生疲劳破坏和力学性能的降低；PCB受到各类振动冲击和弯扭载荷作用，导致其内部应力增大，在缺陷处容易引起应力集中而失效；PCB在长时间高温、氧、湿度的综合条件下将发生老化，这也会导致PCB的使役寿命下降，同时对PCB的翘曲变形产生影响；使役过程的PCB翘曲可能影响电路功能的可靠性。
发明人发现，目前通过实验来探索PCB材料性能或应力在整个生命周期中的演变历程耗费大量时间和精力，例如对PCB翘曲变形的研究，通过阴影云纹法或数字图像技术测量只能得到特定状态PCB的翘曲变形，而无法获取其内部应力和应变演变情况。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种印制电路板全生命周期数值仿真方法和系统，其提出了在不同有限元模拟的输出数据库文件之间进行数字信息传递的思路和方法，为PCB、芯片、连接器及其组合体的电子元器件和系统的全生命周期的可靠性数值分析提供了必要的技术基础。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种印制电路板全生命周期数值仿真方法，其包括：
获取PCB的材料性能参数及制造过程的初边值条件，基于PCB制造过程有限元模型得到PCB制造过程数值仿真输出和存储数字信息的模型数据库文件；
将PCB制造过程数值仿真输出的模型数据库文件所存储的数字信息作为PCB使役过程数值仿真的初始条件，并在PCB使役过程数值仿真初始时刻进行有限元模型力学平衡的自适应调整，从而实现多物理场的继承和数值计算的继续进行；
在力学平衡自适应调整后，基于PCB使役过程有限元模型对PCB使役工况进行数值仿真，最终实现PCB从制造过程到使役过程的全流程数值分析，以预测PCB全生命周期内的质量可靠性。
作为一种实施方式，所述印制电路板全生命周期数值仿真方法，还包括：
将PCB从制造过程到使役过程的全流程数值分析对应的结果进行可视化云图展示。
作为一种实施方式，所述模型数据库文件包含PCB的应力、节点位移、应变、温度和有限单元网格信息。
作为一种实施方式，所述PCB制造过程有限元模型包含PCB的几何模型和上下压板几何模型。
作为一种实施方式，基于PCB制造过程有限元模型的制造过程数值仿真过程包含作为每一层PCB电路的金属导线与绝缘用的树脂在面内的识别，并赋予到PCB制造过程有限元模型中。
作为一种实施方式，所述PCB使役过程有限元模型是基于所研究的使役工况，建立的至少包含PCB几何模型、与使役过程相同或等效的初边值条件的有限元模型；在使役过程数值仿真的初始时刻，该PCB几何模型与制造过程数值仿真结束时刻的PCB几何模型相同。
本发明的第二个方面提供一种印制电路板全生命周期数值仿真系统，其包括：
PCB制造过程数值仿真模块，其用于获取PCB的材料性能参数及制造过程的初边值条件，基于PCB制造过程有限元模型得到PCB制造过程数值仿真输出和存储数字信息的模型数据库文件；
数字信息传递模块，其用于将PCB制造过程数值仿真输出的模型数据库文件所存储的数字信息作为PCB使役过程数值仿真的初始条件，并在PCB使役过程数值仿真初始时刻进行有限元模型力学平衡的自适应调整，从而实现多物理场的继承和数值计算的继续进行；
PCB使役过程数值仿真模块，其用于在力学平衡自适应调整后，基于PCB使役过程有限元模型对PCB使役工况进行数值仿真，最终实现PCB从制造过程到使役过程的全流程数值分析，以预测PCB全生命周期内的质量可靠性。
作为一种实施方式，所述印制电路板全生命周期数值仿真系统，还包括：
可视化云图展示模块，其用于将PCB从制造过程到使役过程的全流程数值分析对应的结果进行可视化云图展示。
本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的印制电路板全生命周期数值仿真方法中的步骤。
本发明的第四个方面提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的印制电路板全生命周期数值仿真方法中的步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明可方便地进行PCB全生命周期的数值仿真研究，具体包含继承制造过程的应力与应变历史和模型参数以实现从制造过程到使役过程的全流程数值分析，可以预测PCB全生命周期内以PCB翘曲变形问题为代表的质量可靠性。
(2)本发明将PCB制造过程数值仿真输出的模型数据库文件所存储的数字信息作为PCB使役过程数值仿真的初始条件，提出了在不同有限元模拟的输出数据库文件之间进行数字信息传递的思路和方法，为PCB、芯片、连接器及其组合体的电子元器件和系统的全生命周期的可靠性数值分析提供了必要的技术基础。
(3)本发明可借助有限元模拟和少部分实验验证的思路，保证所提出的电子元器件和系统的全生命周期数值分析的合理性、实用性、简易性。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的印制电路板全生命周期数值仿真方法流程图；
图2是本发明实施例一中PCB上下表面流体介质的温度与时间关系曲线；
图3是本发明实施例一中PCB使役热循环仿真的有限元网格模型；
图4是本发明实施例一中最高温与最低温时的PCB翘曲变形量与循环次数的关系曲线。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
本实施例提供一种印制电路板全生命周期数值仿真方法，其具体涉及将印制电路板制造过程仿真获得的输出数据库文件所存储的数字信息继承到使役过程仿真，从而实现印制电路板从制造到使役的全生命周期的仿真。该方法基于印制电路板制造过程仿真的输出数据库文件，建立印制电路板的使役过程仿真模型，实现包括应力、应变、温度、节点位移在内的数字信息的全流程衔接和继承。
参照图1，本实施例的印制电路板全生命周期数值仿真方法，具体包括如下步骤：
步骤1：获取PCB的材料性能参数及制造过程的初边值条件，基于PCB制造过程有限元模型得到PCB制造过程数值仿真输出和存储数字信息的模型数据库文件。
其中，PCB材料性能参数是指通过实验测试、细观力学等效模型、解析方程的一种或几种方式获得的能够反映PCB热学、力学、化学性能的参数。
在一些实施例中，热学、力学、化学性能参数包括导热系数、比热容、密度、弹性模量、剪切模量、泊松比、热膨胀系数、化学收缩系数的一种或几种。
在具体实施过程中，PCB导热系数按照铜和树脂的混合率计算或直接采取实验测试获得。
在步骤1中，PCB制造过程有限元模型是通过三维建模软件构建PCB的几何模型和上下压板几何模型，然后导入到有限元软件中，或者直接在有限元软件中构建PCB的几何模型和上下压板几何模型；按实际材料布局指定材料属性，按实际工艺指定初始条件和边界条件；然后指定PCB为可变形实体，指定上下压板为不可变形刚体，为两者划分相应的有限单元，创建可用于数值计算的模型数据库文件。
其中，PCB制造过程数值仿真至少包含以下工序的仿真：热压合、冷压合、开模、钻孔、孔金属化、表层蚀刻、表层电镀、回流焊接。
PCB制造过程数值仿真包含作为每一层PCB电路的金属导线与绝缘用的树脂在面内的识别，并赋予到有限元模型中。
例如：PCB布线图案的识别采用编程语言脚本自动实现，先对代表布线图案的图片文件进行二值化处理，黑色像素部分为金属导线，其余部分为树脂，再为图片文件创建面内的几何分区，识别分区内黑色像素点数量占比，输出每一布线图案所划分的每一分区内的黑色像素点数量百分比数据库。
其中，所述模型数据库文件包含PCB的应力、节点位移、应变、温度和有限单元网格信息。
具体地，可自定义PCB模型输出数据库文件内容，如：在有限元软件中对需要关注的PCB模型局部或整体区域的结构、材料性能、自定义变量进行打包处理，并设置该区域的物理场输出变量。
需要说明的是，通过PCB制造过程数值仿真技术获取的相关物理量预测结果要用相同工艺的实验结果来验证，除非另有说明，本实施例对PCB制造过程数值仿真已进行实验验证。
步骤2：将PCB制造过程数值仿真输出的模型数据库文件所存储的数字信息作为PCB使役过程数值仿真的初始条件，并在PCB使役过程数值仿真初始时刻进行有限元模型力学平衡的自适应调整，从而实现多物理场的继承和数值计算的继续进行。
其中，PCB使役过程包括但不限于热循环、电源循环、振动冲击、疲劳破坏、湿-热-氧协同老化实际工况，根据实际问题建立相应的模型。
力学平衡状态是指有限元模型在满足力学平衡方程、力矩平衡方程或误差允许范围内的受力状态。
步骤3：在力学平衡自适应调整后，基于PCB使役过程有限元模型对PCB使役工况进行数值仿真，最终实现PCB从制造过程到使役过程的全流程数值分析，以预测PCB全生命周期内的质量可靠性。
PCB使役过程有限元模型是基于所研究的使役工况，建立的至少包含PCB几何模型、与使役过程相同或等效的初边值条件的有限元模型；在使役过程数值仿真的初始时刻，该PCB几何模型与制造过程数值仿真结束时刻的PCB几何模型相同。
基于PCB使役过程有限元模型对PCB使役工况进行数值仿真所输出的数据库文件是基于PCB制造过程数值仿真流程和有限元软件得到的存储PCB应力与应变和节点位移空间矢量场、存储PCB温度空间标量场和PCB结构特征与网格图形的文件；该文件可以在有限元软件中打开并可视化显示上述内容。
所述空间标量场被定义为对于空间区域G内的任一点M，都有一个确定的数量，则称在这空间区域G内确定了一个标量场(例如温度场、密度场)，一个标量场可用一个标量函数f(M)来确定，该函数是空间坐标x,y,z和时间t的函数。
所述空间矢量场被定义为对于空间区域Q内的任一点N，都有一个确定的矢量，则称在这空间区域Q内确定了一个矢量场(例如力场、位移场)，一个矢量场可用一个矢量函数f(N)来确定，该函数是空间坐标x,y,z和时间t的函数。
PCB使役过程有限元模型的初始条件，是指利用有限元软件的文件导入功能，将存储PCB应力应变和节点位移空间矢量场、存储PCB温度空间标量场和PCB结构特征与有限元网格图形的文件导入，从而在PCB使役过程有限元分析的初始时刻继承该文件中存储的物理场、PCB结构特征和网格图形。
在一些实施例中，所述印制电路板全生命周期数值仿真方法，还包括：
将PCB从制造过程到使役过程的全流程数值分析对应的结果进行可视化云图展示。例如：将所关注的模型局部区域或整体区域在图形化界面显示出有网格或无网格的云纹图的过程，该过程是本专业技术人员根据软件已有功能和通用知识可以实现的过程。
下面以研究PCB制造过程与使役热循环条件对PCB翘曲变形的协同影响为例：
选择某商用十层PCB，通过实验测试或细观力学等效方法获取其材料性能参数，包括密度、导热系数、比热容、弹性模量、剪切模量、泊松比、热膨胀系数；
在三维建模软件中建立包含PCB几何模型和上下压板几何模型的几何装配体，导入有限元软件，定义与实际工艺相同的传热学边界条件和载荷、位移边界条件，为PCB赋予步骤一中的材料性能，创建可用于数值计算的有限元模型，并定义应力、应变、节点位移、温度物理场的输出，以获得PCB制造结束时的有限元模型输出数据库文件；
在三维建模软件中创建与上述PCB制造过程仿真结束时刻相同尺寸和节点信息的PCB几何模型和去除上压板的装配体，该PCB表面未安装任何元器件，然后导入有限元软件；利用文件导入功能将上述步骤中PCB制造结束时的有限元模型输出数据库文件所存储的数字信息作为当前有限元模型的初始条件，根据JESD22-A104E标准，选择C条件，定义PCB上下表面流体介质的温度与时间关系曲线，如图2所示，设置PCB上下表面的热对流边界条件，创建完全继承PCB应力、应变、节点位移、温度物理场的PCB使役过程的热循环有限元模型；
创建有限元模型的外力加载-卸载办法，用于求解在使役过程初始时刻的受力平衡状态，即在使役过程的热循环仿真初始时刻在PCB上表面施加均布载荷，然后在1s内完全卸压，得到PCB上表面不受力且与PCB制造结束时的形状相同的PCB网格模型，该网格模型作为PCB使役过程的热循环仿真的模型，如图3所示；
基于获得的满足力学平衡状态的有限元模型，得到使役过程的热循环的最高温与最低温时的PCB翘曲变形量与循环次数的关系曲线，如图4所示。可见，虽然在首次热循环最高温和最低温时刻的PCB厚度方向翘曲变形量比初始值略高，但随着热循环次数增加，在最高温和最低温时刻的PCB厚度方向的翘曲变形量逐渐减小，这是由于初次热循环释放了PCB制造历史的少部分内应力，之后由于应力松弛作用，PCB的面外翘曲逐渐减小。
实施例二
本实施例提供了一种印制电路板全生命周期数值仿真系统，其包括：
PCB制造过程数值仿真模块，其用于获取PCB的材料性能参数及制造过程的初边值条件，基于PCB制造过程有限元模型得到PCB制造过程数值仿真输出和存储数字信息的模型数据库文件；
数字信息传递模块，其用于将PCB制造过程数值仿真输出的模型数据库文件所存储的数字信息作为PCB使役过程数值仿真的初始条件，并在PCB使役过程数值仿真初始时刻进行有限元模型力学平衡的自适应调整，从而实现多物理场的继承和数值计算的继续进行；
PCB使役过程数值仿真模块，其用于在力学平衡自适应调整后，基于PCB使役过程有限元模型对PCB使役工况进行数值仿真，最终实现PCB从制造过程到使役过程的全流程数值分析，以预测PCB全生命周期内的质量可靠性。
在一个或多个实施例中，所述印制电路板全生命周期数值仿真系统，还包括：
可视化云图展示模块，其用于将PCB从制造过程到使役过程的全流程数值分析对应的结果进行可视化云图展示。
此处需要说明的是，本实施例中的各个模块与实施例一中的各个步骤一一对应，其具体实施过程相同，此处不再累述。
实施例三
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的印制电路板全生命周期数值仿真方法中的步骤。
实施例四
本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的印制电路板全生命周期数值仿真方法中的步骤。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种印制电路板全生命周期数值仿真方法，其特征在于，包括：
获取PCB的材料性能参数及制造过程的初边值条件，基于PCB制造过程有限元模型得到PCB制造过程数值仿真输出和存储数字信息的模型数据库文件；
将PCB制造过程数值仿真输出的模型数据库文件所存储的数字信息作为PCB使役过程数值仿真的初始条件，并在PCB使役过程数值仿真初始时刻进行有限元模型力学平衡的自适应调整，从而实现多物理场的继承和数值计算的继续进行；
在力学平衡自适应调整后，基于PCB使役过程有限元模型对PCB使役工况进行数值仿真，最终实现PCB从制造过程到使役过程的全流程数值分析，以预测PCB全生命周期内的质量可靠性。
2.如权利要求1所述的印制电路板全生命周期数值仿真方法，其特征在于，所述印制电路板全生命周期数值仿真方法，还包括：
将PCB从制造过程到使役过程的全流程数值分析对应的结果进行可视化云图展示。
3.如权利要求1所述的印制电路板全生命周期数值仿真方法，其特征在于，所述模型数据库文件包含PCB的应力、节点位移、应变、温度和有限单元网格信息。
4.如权利要求1所述的印制电路板全生命周期数值仿真方法，其特征在于，所述PCB制造过程有限元模型包含PCB的几何模型和上下压板几何模型。
5.如权利要求1所述的印制电路板全生命周期数值仿真方法，其特征在于，基于PCB制造过程有限元模型的制造过程数值仿真过程包含作为每一层PCB电路的金属导线与绝缘用的树脂在面内的识别，并赋予到PCB制造过程有限元模型中。
6.如权利要求1所述的印制电路板全生命周期数值仿真方法，其特征在于，所述PCB使役过程有限元模型是基于所研究的使役工况，建立的至少包含PCB几何模型、与使役过程相同或等效的初边值条件的有限元模型；在使役过程数值仿真的初始时刻，该PCB几何模型与制造过程数值仿真结束时刻的PCB几何模型相同。
7.一种印制电路板全生命周期数值仿真系统，其特征在于，包括：
PCB制造过程数值仿真模块，其用于获取PCB的材料性能参数及制造过程的初边值条件，基于PCB制造过程有限元模型得到PCB制造过程数值仿真输出和存储数字信息的模型数据库文件；
数字信息传递模块，其用于将PCB制造过程数值仿真输出的模型数据库文件所存储的数字信息作为PCB使役过程数值仿真的初始条件，并在PCB使役过程数值仿真初始时刻进行有限元模型力学平衡的自适应调整，从而实现多物理场的继承和数值计算的继续进行；
PCB使役过程数值仿真模块，其用于在力学平衡自适应调整后，基于PCB使役过程有限元模型对PCB使役工况进行数值仿真，最终实现PCB从制造过程到使役过程的全流程数值分析，以预测PCB全生命周期内的质量可靠性。
8.如权利要求7所述的印制电路板全生命周期数值仿真系统，其特征在于，所述印制电路板全生命周期数值仿真系统，还包括：
可视化云图展示模块，其用于将PCB从制造过程到使役过程的全流程数值分析对应的结果进行可视化云图展示。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-6中任一项所述的印制电路板全生命周期数值仿真方法中的步骤。
10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-6中任一项所述的印制电路板全生命周期数值仿真方法中的步骤。
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