Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 004

МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ С УЧЕТОМ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

БОЧАРОВ А.Н., ЛЕМКО И.В., ГРОШЕВА А.А., БЕЛЯЕВ Я.В. ГНЦ РФ АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», С-Петербург

Аннотация

Рассмотрены методы проектирования печатных плат в современном программном обеспечении с передачей топологии печатной платы в расчетный программный комплекс для проведения междисциплинарных расчетов методом конечных элементов.

Введение

Традиционно проектирование печатных плат ведется с учетом технологических и электрических требований. Однако в настоящее время к большинству современных устройств (например, микромеханическим) всё больше предъявляется требований по стойкости к тепловым, механическим, электромагнитным и др. видам воздействий.

Для оценки тепловых воздействий проводят расчеты тепловых режимов приборов с учетом топологии и структуры печатных плат. К механическим воздействиям можно отнести сопротивления изгибу, разрыву, скручивания, а также вибро- и ударопрочность. Как пример оценки электромагнитных воздействий можно привести расчет электромагнитного экрана устройства и др.

В настоящей работе рассматривается метод проектирования печатных плат в ПО Cadence Allegro с использованием программного комплекса конечно-элементного анализа ANSYS, позволяющий также проводить междисциплинарные расчеты. Авторы предполагают, что читатель знаком с работой в Cadence и ANSYS и соответствующей терминологией.

Маршрут проектирования печатных плат

Не смотря на то, что основной темой доклада является печатные платы, авторы сочли нужным рассказать также о маршруте проектирования целого электронного устройства.

В настоящее время маршрут проектирования электронного устройства выглядит следующим образом:

1. Передача исходных данных (Э3, ПЭ3, технические требования);

2. Расчёт и проектирование посадочных мест под ЭРИ;

3. Предварительный расчёт, задние параметров проекта;

4. Размещение компонентов (согласование с конструкторами, заказчиком);

5. Трассировка, размещение обозначений на плате;

6. Передача данных для создания 3D-модели;

7. Создание конструкторской документации;

8. Подготовка данных для производства (фотошаблоны слоёв, данные сверловки, сопроводительные документы).

На этапе разработке печатной платы ведется расчет и проектирование посадочных мест и выявление ошибок в технических требованиях, после чего проводится синхронизация схемы электрической принципиальной и спроектированных посадочных мест. Далее размещаются все компоненты на печатной плате, проводится предварительная проверка и трассировка. Подготавливаются фотошаблоны слоёв, данные сверловки и сопроводительная документация. И уже после передаются данные для синтезирования 3D моделей и чертежей.

На этапе моделирования и конструирования проводится синтез трёхмерных моделей плат и модулей, согласования с конструкторами и заказчиком. Виды внешних воздействий и определение понятий в области внешних воздействий на материалы и технические изделия устанавливает ГОСТ 26883-86. Классификация внешних воздействий:

1. Механические воздействия;

2. Климатические воздействия;

3. Термические воздействия;

4. Электромагнитные воздействия;

5. Воздействия специальных сред;

6. Биологические воздействия.

Методы проектирования печатных плат

печатный плата автоматический схема

Автоматизированное проектирование (CAD) -- термин, используемый для обозначения широкого спектра компьютерных инструментов, которые помогают инженерам, архитекторам и другим профессионалам создавать, изменять, анализировать и оптимизировать концептуальные, инженерные, архитектурные и строительные проекты. Являясь ключевым инструментом в рамках концепции управления жизненным циклом изделия (PLM), системы CAD включают в себя множество программных и аппаратных средств -- от систем двумерного черчения до трехмерного параметрического моделирования поверхностей и объемных тел.

Технологии автоматизированного проектирования обычно применяются совместно с автоматизированным конструированием (инженерным анализом, CAE), автоматизированным производством (CAM) и в проектирование электронных приборов и устройств (EDA) позволяя решать задачи и выполнять операции, возникающие в процессе разработки и производства продукта, а также на других этапах его жизненного цикла.

На настоящий момент условно можно выделить две методики проектирования печатных плат с их последующей передачей в CAE систему:

1. Передача трехмерной модели из CAD систем

2. Передача послойной модели напрямую из EDA систем

Ключевым фактором является то, что при передачи трехмерной модели из CAD системы, полностью теряется информация о слоях, цепях, дорожках, посадочных местах, так как передается только упрощённое трехмерное представление печатной платы в виде твердотельной модели.

При передаче послойной модели можно проводить моделирование с учетом всех элементов и слоев печатной платы, свойств материалов, особенностей их взаимодействия, что позволяет достигать большей точности расчетов. В результате становится возможной более детальная проработка конструкции. Для передачи полной модели печатной платы в форматe Cadence Allegro PCB Design в ANSYS предполагается использовать утилиту ALinks передающую всю топологию печатной платы, а также все материалы и граничные условия в «один клик».

Однако всегда есть возможность передать печатную плату через нейтральные форматы. В таком случае, после передачи проекта в ANSYS, потребуется дополнительно, «вручную» задавать необходимые параметры и настройки топологии, которые не поддерживаются нейтральным форматом. Процесс ручной настройки может обычно достаточно длителен и неудобен по сравнению с передачей всей платы в CAE.

Компьютерное моделирование

Моделирование проводилось в программном комплексе конечно-элементного анализа ANSYS, в модуле ANSYS Mechanical с передачей всей топологии печатной платы через ALinks из Cadence Allegro PCB Design.

Топология исследуемой печатной платы в Cadence Allegro PCB Design представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Топология печатной платы в Cadence

В работе рассматривается междисциплинарный расчет механических деформаций при нагреве печатной платы в установившемся режиме (Steady-State Thermal), а также анализ собственных частот (Modal), и синусоидальной формой нагрузки (Harmonic response) в частности.

Для проведения расчетов была подготовлена расчетная модель, состоящая из трехмерной геометрии (преобразованной из топологии), сетки конечных элементов, свойств материалов и граничных условий.

Синтезированная геометрия из топологии платы представлена на рисунке 2. Обычная твердотельная модель, полученной из CAD системы представлена на рисунке 3.

Рис. 2. Трехмерная геометрия платы из Cadence

Рис. 3. Трехмерная геометрия платы из CAD системы

Процесс генерации конечно элементной сетки проводился в полуавтоматическом режиме, с выдерживанием одинаковых качественных характеристик элементов для двух моделей. Свойства материалов задавались в соответствующем модуле ANSYS Engineering Data и присваивались элементам модели.

В качестве граничных условий заданы:

1. ограничения степеней свобод перемещений (fixed support) коэффициент конвекции в автоматическом режиме из библиотеки модуля mechanical

2. температура окружающей среды +22 оС

3. внешняя синусоидальная нагрузка - диапазон частот от 20 до 100 Гц, сила воздействия - 2g

4. Также мощности тепловыделений элементов (представлены в таблице 1.)

Таблица 1. Мощности тепловыделений элементов.

Результаты моделирования

В результате выполнения тепловых расчетов были получены распределения температур. На рисунке 4 показан результат теплового расчёта конструкции платы с учетом топологии. Элементы конструкции платы прогрелись до температуры +42 °C, разница между самым нагретым и самым холодным участком платы незначительная, в то время когда элементы плата без учета топологии прогрелась до +50°C.

Рис. 4. Результаты теплового расчета конструкции с учетом топологии печатной платы

По результатам проведения теплового расчета было проведено междисциплинарное моделирование и получены деформации конструкции и элементов под действием температуры (рисунок 5). Максимальная деформация платы с учетом топологии - незначительная и составила порядка 1e-7мм.

Рис. 5. Деформации печатной платы по результатам теплового расчета

Для сравнения максимальные деформации платы без учета топологии - 1,36e-7мм.

В результате выполнения модального анализа были получены собственные частоты конструкции, которые представлены в таблице 2.

Таблица 2. Результаты проведения модального анализа

Можно видеть различия собственных частот конструкции. При исследовании более сложных печатных плат (многослойных, сложной формы) ожидаются ещё большие расхождения в результатах.

В результате моделирования (рис. 6) внешних синусоидальных воздействий при закреплении платы в рабочем положении максимальные перемещения составили порядка 0,01 мм для платы с учетом топологии и 0,005 мм для платы, полученной из CAD системы.

Рис. 6. Результаты расчета внешних синусоидальных воздействий

Заключение

Рассмотрен маршрут проектирования электронного устройства.

Рассмотрены современные методы проектирования печатных плат, с передачей данных в CAE систему для проведения расчетов внешних воздействий. В настоящей работе рассмотрен метод проектирования печатных плат в ПО Cadence Allegro с передачей топологии платы в программный комплекс конечно-элементного анализа ANSYS.

Проведены междисциплинарные расчеты тепловых процессов и возникающих при этом механических деформаций для печатной платы с учетом топологии и без неё. Также проведены расчеты собственных частот, и случайной вибрационной нагрузки. Проведено сравнение полученных результатов.

Показано расхождение результатов моделирования для ПП в виде топологии и твердотельных моделей. Ожидается большее расхождение результатов при усложнении конструкции и топологии платы.

Литература

1. ANSYS, Inc. ANSYS Help.

2. Муромцев Д. Ю., Тюрин И. В. и Белоусов О. А. Конструирование узлов и устройств электронных средств [Книга].- Ростов-на-Дону: "Феникс", 2013.

Размещено на Allbest.ru