一家公司若擁有能生產可靠產品的名聲,相較於產品可靠性較差的競爭對手,自然能因為更受青睞而贏得市場。具可靠性的產品比較不容易故障、較少被退貨,而且較不需要保固維修,這些都有助於提升企業的獲利能力。印刷電路板(PCB)設計人員現已瞭解,要在製造之前先掌握到設計的物理限制與疲勞問題至關重要,如此才能提升產品可靠性,並減少電路板故障的可能性。

物理驗證測試

業界統計顯示,新推出的電子產品第一年的現場故障率高達15~20%。在惡劣的環境中,疲勞可能佔這些故障的20%。大多數的設計團隊都依靠物理測試來確定可靠性問題。一種稱為高度加速生命週期測試(HALT)的物理振動與加速度測試,可提供明確的機制來確保產品的可靠性,並找出由於環境因素造成的潛在故障,且它是在量產前由專業技術人員來執行。HALT測試是透過施加比實際產品會遭受到的更高疲勞度來進行,因此產品在經過嚴格的測試時,會強制產生故障並據此來找出弱點。但是,此流程所費不貲且具破壞性,可能需耗時4個月之久,而且每個設計平均花費約3萬美元或更多的成本。

針對軍事產品和應用,HALT是在合格測試前進行,目的是要在產品驗收時提早發現故障。由於軍事產品(以及運輸和機械)是為高可靠性應用所開發,必須在最惡劣的環境下最妥善地運作。因此,在各種環境條件下以完備且嚴格的安全條件進行測試和驗證,包括電磁和物理環境非常重要。但是,它的結果會因測試實驗室的不同而有差異,因此可能會隱藏了元件的準確度和功能限制,而使其在現場時發生故障。受限於昂貴的成本與更快的上市時間要求,僅有少數原型設計會實際經過物理振動和加速度測試。

設計階段透過模擬提升驗證測試

為了最佳化設計流程,並縮短找出和修正問題所需的時間,應該在設計階段增加可用來模擬振動與加速度的軟體(圖1)。運用模擬軟體並不能完全免除對實體HALT的需求,但是在佈局階段透過分析以提早解決故障問題,可使設計團隊減少HALT的費用,並確保可靠性專家有更多的時間專注於找出隱藏的問題。振動與加速度模擬結合了電氣和機械設計原理,有助於提高測試覆蓋率並縮短設計週期,可確保更高的產品可靠性和更快的上市時間。

20180824TA01P1 圖1 一個設計在執行振動模擬後的視覺化影像。

在振動和加速度模擬過程中,應該在所有的方向上施加加速度負載,才能找出電路板在實際使用時哪些地方會承受應力。為了提高效率,分析功能必須緊密整合並容易使用,以便可以在元件就定位的情況下進行測試。透過自動讀取電路板的物理層疊和材料,以及設計的元件重量和邊界條件,此軟體能簡化模擬的設定。使用者只需定義掃描頻率,以及在模擬過程中使用的約束或邊界條件的類型,最後,模擬應允許使用者直接檢視可能導致故障的所有元件上的諧波頻率和施加應力。最好的情況是,應在佈局階段提供兩種快速的設計模擬選項:

˙振動:計算相對應力和變形值,以找出元件導線架和接腳接觸區域的薄弱環節。此結果稍後可用來推斷潛在元件故障的可能性;

˙恆定加速度:提供線性靜態分析,允許設計中施加恆定加速度來計算Von-Mises應力、變形和安全係數,所有這些資訊稍後都可用來推斷元件的合格/不合格值。

一旦找到了故障的零件,應利用具備完整動畫顯示功能的後處理器(post-processor)介面,來決定造成零件故障的確切變量和因素。簡化的後處理影像應突顯出有問題的部分,讓使用者能查明和修正潛在的元件故障(圖2),這能使不具備產品可靠性專長的工程師或設計人員也能輕鬆判讀設計中的疲勞和振動問題。此外,軟體還應提供進階的視覺化顯示模式,讓產品開發團隊能更深入地挖掘並找出造成產品故障的直接原因。除了能夠客製化虛擬原型的視覺化顯示之外,後處理器工具程式還應提供一種機制,來配置關鍵區域的變形強度,以便能直接檢視電路板是如何變形。電路板的變形情況應能夠在完整的動畫中顯示,使設計人員能直接檢視電路板在振動分析過程中如何彎曲和振動。

20180824TA01P2 圖2 電路板變形的後處理視覺化顯示,可清楚看到故障的零件。

典型的模擬使用案例

在佈局階段進行振動和加速度模擬,有助於減少物理測試的需求。藉由採用虛擬的振動和加速度模擬,可減少或免除物理測試的範例包括:

˙為了測試運送過程中的問題,業者通常會將其產品運送到世界各地的多個目的地,然後再將其送回。如果送回的產品沒有問題,那麼就驗收合格;若有問題,便需要修正設計來解決有問題的零件、建立產品的修訂版本,並重複物理測試的過程;

˙為了測試使用過程中的問題,業者會將其產品放在倉庫內的大型地板上,並進行物理振動分析。這當然是一個非常昂貴、耗時且具破壞性的過程;

˙設計具有大型連接器的電路板公司通常需要在沒有連接器的情況下進行物理測試,以便為所需的測試夾具預留空間。然而,這是一個不準確的測試環境,可能導致錯誤的結果。透過虛擬模擬,能針對備齊了所有元件的設計,就像最終產品一樣地進行測試。

這些只是運用虛擬的振動和加速度模擬而減少或免除物理測試的一些例子。各行各業的產品都能因採用此先進技術而受益。

虛擬模擬的好處

現今的產品必須面對和克服在惡劣環境中的諸多挑戰。虛擬的振動和加速度模擬是一種可提升產品可靠性的新方法,它是以故障預測演算法為基礎,採用快速、準確的全自動有限元素分析(圖3)。在PCB佈局階段執行虛擬HALT模擬可帶來多項好處,包括能夠:

˙視覺化並立即找出有問題的零件;

˙發現處於故障臨界值的元件,它們可能會在物理測試時被漏掉;

˙分析接腳級(pin-level)的Von-Mises應力和變形,以確定故障的可能性和安全因素;

˙模擬所有的設計,而不僅僅是高風險的設計;

˙透過產生第一次就正確的設計,降低物理測試的成本。

20180824TA01P3 圖3 會導致最壞情況變形的頻率。想一下,新聞報導中曾出現的產品現場故障消息。保固期索賠、業務損失,以及潛在的市佔率流失都會對企業帶來嚴重的後果。在佈局階段為每一塊電路板進行虛擬模擬,能使工程師和設計人員在將電路板交給製造商之前,提早在產品開發過程就先找出問題。

提升PCB系統可靠性的獨特方法

Mentor,a Siemens business可提供業界PCB設計專用的振動和加速度模擬解決方案。Xpedition技術提供了易於使用的自動化環境,此環境是以有限元引擎開發,可實現快速、準確的分析。與其他的工具不同,此技術已專為PCB佈局設計人員進行了最佳化,可利用桌上型電腦來進行模擬和改善設計。它的元件建模庫由超過4,000個獨特的3D實體模型組成,可用來建立高度定義的零件模擬。3D模型庫可讓使用者輕鬆地將幾何圖形匹配到他們的2D單元資料庫,設計人員可以在電路板上組裝零件模型,並自動對其進行網格分割以進行效能分析,其中,包括所有所需的加強件和機械零件。

直覺式的後處理器和精靈(wizard)功能可讓使用者快速、輕鬆地設定模擬,以實現快速、準確的虛擬原型設計。後處理器技術可讓設計人員快速查看故障可能性高的元件,並分析邊界條件、材料性質和環境配置檔案。此外,亦可執行特定應用的加速度應力模擬,例如恆定加速度條件下的安全係數模擬、接腳級的Von-Mises應力、詳細的應力和變形圖,以及三軸使用者定義的施力向量(X,Y,Z)模擬等。