电子可靠性 | 案例分析：大陆汽车在构建原型前快速完成产品可靠性测试

作者 | Tony A. Asghari

大陆汽车质量部门/可靠性物理团队

汽车电子产品供应商正在采用业界一流的半导体技术来提高计算速度和计算能力，进而改善驾驶体验。由于半导体器件的耗散功率，这种方法需要借助经外壳传导热量的热解决方案，这种情况下，印刷电路板(PCB)一般通过热强化胶粘剂与外壳相连，虽然这种措施有效，但是传递到附着在PCB上的焊点的应力可能在功率循环或热冲击下导致提前失效。对于使用球栅阵列(BGA)封装的器件而言，这种情况尤其突出。

大陆汽车的目标是评估三种不同的胶粘剂，确定既能提供充足的热传导，又能让BGA符合汽车OEM厂商的验证要求的材料。为了优化设计流程，大陆汽车希望在构建物理原型前完成评估，并需要一种工具，能够在这种复杂的场景下准确预测焊点疲劳。大陆汽车之所以选择Ansys Sherlock，是因为它能够量化由于各种系统级影响（包括胶粘剂的热机械影响）而导致的组件可靠性变化。

大陆汽车工程师在Ansys Sherlock中创建了广泛且详细的模型。这个过程需要先从ECAD软件导入ODB 存档，这是一种行业标准的输出文件。存档完成后，Sherlock在一分钟内从中提取出完成印刷电路板装配(PCBA)综合仿真所需的关键信息，并将该数据划分成直观的类别，方便用户简单直接地进行审核。

准确的组件和堆叠属性是大陆汽车分析工作的关键，大陆汽车充分运用了Ansys的免费信息库服务，将热机械分析所需的机械属性填写入他们的组件库。因此在创建部件列表时，基本不需要大陆汽车完成任何工作，对于堆叠材料属性，审核中需要快速目测，确认Sherlock正确地从ODB 文件解析出这一信息。

图1：使用Ansys Sherlock编辑器轻松定义PCBA堆叠

在任何热机械分析中，边界条件都是必需的。Sherlock自动定义这些约束条件，并在2D或3D查看器中显示以便进行验证。在所有仿真运行中，都假设胶粘剂材料能完全地约束PCB，包含温度相关模量和热膨胀系数在内的胶粘剂材料特性全部导入Sherlock。通常情况下，用户可以从Sherlock丰富的材料库中找出自己的材料，如果有需要定义的非常规材料，Sherlock的技术支持团队随时能够提供帮助。

成功开发虚拟PCBA后，大陆汽车为该产品定义可靠性指标方面的目标，并以热分布的形式定义热载荷规格，这其中包括了PCB经历的测试条件和现场环境条件。通过建立有限元分析(FEA)模型并根据测试定义和现场定义对PCBA施加热载荷，Sherlock完成了热机械分析，仅用几小时就取得了准确详实的结果。

图2：Ansys Sherlock的3D查看器清晰地显示出了电路板布局

通过使用Ansys Sherlock，大陆汽车在构建原型前便达成了评估和发现优质胶粘剂材料的目标。主要包括：

• 优质胶粘剂材料：采用该材料后，与使用其他胶粘剂相比，BGA使用寿命显著延长

• 按客户提供的现场温度分布提高热循环频率，BGA使用寿命减半

• 在现场环境温度分布下再将BGA温度升高15℃（因组件功率耗散），放慢失效速度

大陆汽车在实验设计(DOE)阶段采用了Ansys Sherlock，成功地为高效且有效的测试确定了所需参数。由此，总测试时间显著缩短，不仅准确测量了材料在各种热条件下的可靠性，也预测出了产品的使用寿命。事实证明，在量化、理解和预测测试条件和现场环境下承受各种系统级效应的组件的使用寿命曲线方面，Sherlock是理想的解决方案，与使用任何其他方法相比，能更快地取得结果。