Analiza niezawodności płytek PCB
ANSYS Sherlock to oprogramowanie wykorzystujące metodę Physics-of-Failure (PoF) do analiz niezawodności (reliability engineering) urządzeń elektronicznych – od wyboru optymalnych komponentów pod kątem zmęczenia termicznego po analizę harmoniczną pełnego układu elektronicznego. Dzięki temu możliwa jest walidacja produktu, materiałów i technologii oraz znajdywanie kompromisu w architekturze układów elektronicznych na wczesnym etapie projektu.
Physics-of-failure
Układ elektroniczny zawiera często kilkaset, a nawet kilka tysięcy elementów które należałoby uwzględnić w tradycyjnej symulacji MES aby określić ich trwałość mechaniczną. Jest tak ponieważ każde złącze lutownicze ma znaczenie. Jednak różnica skal (konieczność uwzględnienia bardzo małych elementów w stosunkowo dużej geometrii) powoduje, że siatka elementów skończonych w takim modelu byłaby gigantyczna i obliczenia trwałyby bardzo długo. A to dopiero siatka z warunkami brzegowymi mielibyśmy jeszcze większy problem. Dlatego też numeryczne metody wybaczania trwałości okładów nie cieszą się popularnością u elektroników.
Physics-of-failure (PoF) to dziedzina nauki zajmująca się modelowaniem fizycznej degradacji w elementach elektronicznych w wyniku działania określonych obciążeń (naprężeń, drgań, temperatury). PoF pozwala np. na zidentyfikowanie szkodliwych częstotliwości drgań własnych, poznanie mechanizmu tworzenia się uszkodzeń oraz określenie obszarów o zwiększonym prawdopodobieństwie awarii. Metoda ta została stworzona, aby precyzyjniej oszacować żywotność układów elektronicznych i poszczególnych komponentów bez konieczności modelowania każdego fizycznego elementu układu elektronicznego.
Uwzględnienie np. współczynnika rozszerzalności cieplnej cyny pozwoliło określić ilość cykli obciążenia termicznego, które wywołają uszkodzenie złącza lutowniczego.
Dlaczego warto korzystać z ANSYS Sherlock?
ANSYS Sherlock był pionierem i pozostaje czołowym oprogramowaniem w dziedzinie wykorzystania PoF w ocenie żywotności elektroniki. Na każdym etapie ANSYS Sherlock pozwala szybko i dokładnie przewidzieć czas życia badanego urządzenia i wybrać najlepszy zestaw komponentów i materiałów. Prosty interfejs i szybkość działania sprawiają, że ANSYS Sherlock idealnie się sprawdza na wczesnym etapie projektowania.
Około 70% kosztów rozwoju produktów elektronicznych pochłania proces iteracyjnego eliminowania problemów pojawiających się w fazie budowania prototypu. Przyczyną jest brak symulacji komputerowej w procesie walidacji projektu. Zamiast tego często stosuje się pętlę: test – niepowodzenie – naprawa – powtórzenie. ANSYS Sherlock pozwala znacząco skrócić ten proces, ponieważ umożliwia konstruktorom dokładne modelowanie zjawisk mechanicznych, termicznych i procesów produkcyjnych, mających kluczowy wpływ na żywotność obwodów drukowanych, płytek PCB, układów scalonych itp.
Ze względu na gigantyczną liczbę elementów w płytkach PCB wykonanie standardowej analizy mechanicznej zawsze się wiązało ze sporym wysiłkiem ze strony elektroników. Właśnie dlatego powstał ANSYS Sherlock, którego kluczowymi zaletami są szybki import i automatyczne przekształcenie geometrii typu ECAD w modele numeryczne, pozwalające na wykonanie np. symulacji mechanicznych. ANSYS Sherlock korzysta z zabudowanej bazy ponad 500 tys. komponentów, która jest ciągle aktualizowana, co dodatkowo skraca czas przygotowania modelu. Każdy komponent ma automatycznie przypisane dane materiałowe – takie rozwiązanie nawet przy małych układach elektronicznych jest dużym ułatwieniem.
ANSYS Sherlock to jedyne na rynku oprogramowanie, które dostarcza całościowych informacji o przewidywanej żywotności badanej konstrukcji. Zamiast robić kilka testów zmęczeniowych po tysiące godzin każdy, w ANSYS Sherlock można w kilka minut oszacować żywotność produktu z uwzględnieniem połączeń lutowanych oraz poszczególnych elementów. W efekcie uzyskuje się ogromną oszczędność czasu i pewność, że test walidacyjny się powiedzie. Dodatkowo modele ANSYS Sherlock można wykorzystać do dalszych analiz w środowisku ANSYS Workbench.
Sporą przewagą ANSYS Sherlock jest możliwość uwzględnienia w analizach tzw. technologiczności konstrukcji (design for manufacturability – DFM). Dzięki temu finalny projekt zawiera informacje np. o maksymalnych możliwych naprężeniach w procesie produkcji, co pozwala uniknąć uszkodzeń lutów, płytki drukowanej i komponentów.
Program ułatwia i usprawnia ocenę niezawodności, korzystając z unikatowego procesu podzielonego na trzy etapy: definicji danych wejściowych, wykonywania obliczeń oraz generowania raportu wraz z rekomendowanymi zmianami.
Możliwości w zakresie symulacji niezawodności elektroniki
Na podstawie danych wejściowych z pliku EDA (schematów, layoutu, komponentów) Sherlock automatycznie buduje model obliczeniowy, identyfikując komponenty i zadając odpowiednie własności materiałowe (dostępna biblioteka obejmuje: komponenty laminaty, układy scalone i spoiwa lutownicze).
W programie można wykonać kompleksową analizę niezawodności. Umożliwia on konstruktorom przeprowadzenie kompleksowej symulacji z uwzględnieniem pracy w różnych warunkach, transportu urządzenia, a także mechanizmów awarii, które mogą się pojawić w trakcie życia produktu.
Symulacje w ANSYS Sherlock obejmują m.in.:
- thermal cycling,
- mechanical shock,
- natural frequency,
- harmonic vibration,
- bending,
- integrated circuit/semiconductor wearout,
- thermal derating,
- condictive anodic filament (CAF) qualification,
- high-fidelity PCB modeling.
Dostępne raporty z symulacji i zalecenia obejmują:
- life curve,
- red-yellow-green risk indicators,
- tabular display,
- graphical overlay,
- binned results based on reliability goals,
- automated report generation,
- locked IP model for review by suppliers/customers.
ANSYS Sherlock to nie dodatek do procesu projektowego, ale kluczowe narzędzie dla inżynierów i specjalistów elektroników. Pozwala uniknąć budowy nieudanych prototypów oraz precyzyjnie oszacować żywotność elementów i układów elektronicznych bez konieczności wykonywania testów fizycznych (które często bardzo długo trwają). Przy tym jest bardzo prosty w obsłudze, a zabudowana biblioteka komponentów nie tylko przyspiesza czas budowy modelu, lecz również minimalizuje prawdopodobieństwo popełnienia błędu przy ustawianiu symulacji. Dodatkowo ANSYS Sherlock współpracuje z flagowymi modułami ANSYS, poszerzając obszar badań symulacyjnych, które można przeprowadzić na etapie projektowania produktu.
