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構造解析

はんだボールの熱応力疲労を予測するためのAnsys Sherlock


公開日2020年12月
エレクトロニクスの使用は自動車用途でますます増加しています。ただし、車両のサイズと重量が増加しないよう電子部品とパッケージの小型化が求められています。コンチネンタル・オートモーティブでは、基板スペースを最も効率的に使用するため、プリント回路基板アセンブリ（PBCA）でのBall Grid Array（BGA）コンポーネントおよび高密度相互接続（HDI）FR4ボードの使用を増やしてきましたが、はんだ疲労によるはんだ接合部の追加の信頼性の問題の重要性に気づきました。同社は、Ansys Sherlockを使用してボードとコンポーネントをモデル化することにより、複数のコンポーネントをすばやくモデル化して実行し、熱サイクルと衝撃の検証テストを最小限に抑え、応力/ひずみの最大の原因を特定し、レイアウトの変更を実現しました。
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目次

  • アプローチ
  • 主な調査結果
  • 利点：Ansys Sherlock がコンチネンタル・オートモーティブにとって理想的なソリューションであった理由

ボードとコンポーネントのモデル化

同社は、まず図研ODB ++ファイルをSherlockにインポートしました。Sherlockはこのファイルのすべての情報をすばやく読み取り、完全なスタックアップデータ、すべてのコンポーネント、取り付け条件、およびそれらの場所と材料特性を備えた代表的なボードを生成することができました。ボードには、ミラー化されたBGAコンポーネントがいくつかあり、 「ボードの上面と下面の両方の同じ場所」にBGAが配置されていました。Sherlockは、BGA上の各はんだボールのモデル化など、個々のコンポーネントを詳細なレベルで簡単にモデル化し、小さなはんだの疲労故障でも確実にキャプチャできるようにしました。

ボードのライフサイクル定義

次に、振動、温度、衝撃荷重を含むボードのライフサイクルを定義しました。また、ライフサイクルの目標と許容可能な故障率と時間を定義しました。このボードは、定常状態と、サイクル温度（-40℃から127℃）の両方でモデル化されました。

ボードの熱機械分析

ボード、コンポーネント、境界、および負荷条件が定義された状態で、Sherlockは熱機械条件を使用してPCBAを分析しました。これらの結果が得られたら、ミラー化されたBGAを排除するためにボードを変更および改造しました。代わりに、BGAがすべて「ボードの同じ側」になるように移動されました。次に、同じ条件を使用して熱機械分析を再実行しました。

ボードの予測寿命

Sherlock 分析の結果により、以下が示されました。
●ミラーリングされたコンポーネントがあると、ボードの予測寿命に影響を与え、ミラーリングされていないボードと比較して、故障の可能性が高くなります。
●コンフォーマルコーティングは、故障の可能性を高めます。ただし、コンポーネントや場所など、いくつかの異なる要因がこの効果に影響を与える可能性があります。コーティング、厚さ、コーティングされたコンポーネントはすべて最終的な故障確率に影響を与える可能性があるため、エンジニアはコンフォーマルコーティングの影響を完全に理解するために、さらに調査を行う必要があります。

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