基于ANSYS的PCB安装孔位置简易优化分析

2020-02-11鲁文喜

机械工程师 2020年1期

鲁文喜

（英格索兰亚太工程技术中心，上海200051）

0 引言

印刷电路板（PCB）作为重要的电子部件，广泛用于电器设计中。如何保证电路板在维修拆卸和装配固定后能够保持预期的可靠性，合理地安装成为其中重要的因素之一。本文主要研究电路板在极端维修的情况下，现场人员非正常拆卸接插件，导致电路板受到较大插拔力。通过ANSYS有限元分析，预测最大变形，用于判断其是否可以依旧不被损坏，保证功能完好。同时，设计时需要考虑相应的经济性，尽量采用较少的安装孔来达到预期效果，所以进行安装孔位的优化很有必要。

1 可接受标准

目前PCB板厂家主要依据IPC标准对基板的翘曲进行检测，其中翘曲定义为弓曲和扭曲。分别定义如下：1）弓曲最大百分率=弓曲最大垂直位移（D）/ 最大垂直位移所在边长度（L）× 100%，如图1所示；2）扭曲最大百分率=扭曲最大垂直位移（D）/ 被测试样对角线长度（L）×100%。

依据IPC标准，通常板翘曲度要求不得超过0.75%。在某些场景对覆铜板和线路板的翘曲度要求更高，板翘曲度要求不大于0.3%。翘曲度超过设计标准的PCB板，其SMT组装时的焊接质量将无法得到保障，进而影响到电路板的功能[1]。

图1 弓曲量测

针对本文研究的非正常插拔操作，为简化分析，本文主要采用非正常插拔时的最大变形与PCB板材短边长度的比值等效为翘曲中的弓曲，考虑一定安全系数，采用其值不超过0.60%。

2 安装孔初始设计

文中所研究的PCB安装在空调室外机的控制盒内，在初始设计时，根据以往经验和实际PCB空间布局，在稍大的插拔接口处预留安装定位孔，如图2所示。该电路板主要用于连接各种传感器、开关和其他电器零件，如图3所示，共包含16个接插件（1～16），初始安装孔多达9个（A～I）。其中接插件线束接口10仅在设计时功能调试使用，故后续不对其进行插拔测试。

当PCB安装到控制面板上时，如果螺钉较多，会造成成本偏高，包括人工安装时间和螺钉的成本。在解决现场故障时，所有接线端子都有可能被插拔。而在此过程中，由于维修空间狭窄，现场人员可能会直接拉线拔出插头，从而引起PCB产生较大翘曲，进而破坏PCB上的元器件，产生失效。

图2 PCB在机器中的安装

图3 PCB接插件及安装孔位置

3 利用ANSYS进行翘曲分析

3.1 ANSYS中加载力及材料性能的确定

1）影响因素及分析中可变量的设定。影响PCB变形的因素比较多，比如材料、结构、图形分布、加工制造和安装等等[2]。本文主要针对的是安装孔位布局及数量，在依据经验布局的9个（A～I）孔位上寻找最优的组合。

2)极端操作下的端子插拔力。正常的接口插拔操作如图4所示，先释放卡扣，然后拔出，这样测出的力较小。考虑到接口在维修过程中可能会遭遇的极端非正常插拔，不按下锁扣，强行拖拽线束，如图5所示。通过弹簧秤模拟非正常操作测量拔出力和插入力，从而获得最大插拔力，如图6所示，每个端子测试3次，取平均值作为输入。

图4 正常插拔

图5 非正常插拔

图6 插拔力测量

表1 各接口插拔力N

表2 总厚度、厚度分布及材料弹性模量

通过测量插拔力得到如表1所示的数据, 接口序号对应图3。

3)PCB板材的力学性能等效计算。电路板的基材是覆铜压板，它是制作印制电路板的基板材料，它除了用作支持各种元器件外，还能实现电气连接或电绝缘。覆铜箔层压板可分为单面、双面和挠性覆铜箔层压板[3]。根据板材供应商提供的相关数据，本例通过表2简易初步估算获得弹性模量数据。

根据以上信息，通过合力平衡σ×A=σ1×A1+σ2×A2。（式中：1、2分别为两不同材料；A为材料横截面积），结合E=σ/ε可以计算等效弹性模量E= E铜×其厚度占比+EFR-4×其厚度占比。E=98.15 GPa；泊松比为0.3 (此为供应商推荐值)。

本例以外的PCB板的弹性模量需依据实际的板层结构及材料等共同确定，这些数据可从供应商处获得或通过动态分析计算弹性模量。

图7 安装孔位置

3.2 ANSYS分析

3.2.1 总体思路

1) 根据当前接插件位置和PCB形状，常规思路，首先固定4个角落的螺钉孔A、B、C、D，见图7，然后依次分析各插拔口插拔时，确认PCB是否满足翘曲要求。

2)如果上一步的4个螺钉无法通过翘曲要求，依次增加1个螺钉，并尝试不同的组合。直到各测试插头插拔都满足翘曲要求。

3.2.2 模型预处理及假设

1) PCB板依据实际厚度，建模1.6 mm，忽略接插件之外的电子元器件；2) 螺钉刚性连接，分析加载示意如图8所示。

图8 FEA分析加载示意

3.2.3 螺钉数量从4个开始，分析变形数据

1) 根据接插件的分布及经验，首先固定4个边角的螺钉，即固定A、B、C、D孔位，测试所有的插拔点，获取表3变形数据。

表3 固定4处螺钉的各点变形

通过图9 分析可以看到，固定A、B、C、D这4个孔，会导致在2、9、12插拔点上施加力时，PCB 板翘曲变形大于预设值0.60% 而超标，无法达到要求。

2)在选用A、B、C、D的基础上，继续增加1个螺钉位置，依次选取E、F、G、H、I孔位来进行测试上一轮实验中超标的2、9、12插拔点，查看变形是否通过。根据表4得知，有5组孔位组合依然不符合要求。3) 在选用A、B、C、D的基础上继续增加2个螺钉，查看2、9、12插拔点的变形情况。根据表5，发现有4组满足要求。

3.2.4 改进设计

基本思路：能否去掉一些周围没有插拔件而且靠近其它孔位的孔。进一步考虑到D、I孔位非常近，中间无插拔件，而且孔位I附近有引起较大变形的12号插拔点，故考虑去掉孔位D，测试以A、B、C、I 为基准，按表5 考察A、B、C、I、F及A、B、C、I、E的孔位组合，看是否满足要求。数据见图10(接口10处由于无插拔力，故无翘曲发生)。由此可见，A、B、C、I、F及A、B、C、I、E符合设计要求。