PCB仿真 | 一文详解Ansys走线增强工作流程（内含Demo演示）

本文原刊登于Ansys知乎：《PCB建模遇到困难？试试走线增强（Demo演示）》

印刷电路板（PCB）几乎存在于世界上所有电子设备中，它们主要有两种功能：

1) 结构：可将所有电子组件固定到位，例如电容器、电阻器、集成电路（IC）等

2) 电气：可提供组件之间的电气互联

因PCB的主要功能就是在结构上将电子组件固定到位、让组件电气互联，因此，确保PCB装配体的可靠性对于产品的成功来说至关重要。

通过仿真，可以根据特定的压力源和使用环境对PCB进行建模和测试，从而在物理样机制作之前确定故障风险。Ansys的走线增强工作流程，是一种有望在电路板级显著提高PCB模型保真度的方法。

下面，我们通过一个完整的走线增强工作流程，来介绍此方法的主要优势，大家可以将该工作流程应用到实际设计流程中。

走线增强由使用壳和梁增强单元的铜特征来表示

随着PCB的复杂程度日益增加（具有柔性电路和刚-柔性电路、高密度互联、埋孔和微孔的PCB），组件尺寸不断缩小，准确仿真PCB的难度也越来越大，对电路板进行同质属性的近似建模这样常用结构有限元分析（FEA）建模方法，可能不再适用。

走线增强已成为一种可能的解决方案，不仅可以捕获复杂的细节，同时还能进行在范围和时间上都可控的完整电路板级仿真。

走线是用来将PCB上的不同组件和引线进行电气连接的铜连接。走线增强方法将PCB中的铜走线，视为3D结构树脂基础单元内的1D或2D增强特性。

材料增强在众多行业中被广泛应用于改进结构属性，例如钢筋混凝土、飞机方向舵使用的碳纤维增强聚合物，以及轮胎中使用的尼龙线。Ansys的FEA软件可使用专门的增强单元为此类材料的增强效果进行建模。

Ansys的走线增强工作流程将其他行业常用的增强单元扩展到用于近似PCB的属性。它将铜走线视为增强特性，将树脂/层压材料（实际上在PCB中将走线固定在一起）视为增强的基础单元。

Ansys已开发出综合全面的工作流程，该工作流程使用涂抹增强（smeared reinforcement）方法来直接表达PCB中的所有走线几何结构。PCB的每一层都使用固体基础单元建模，而采用2D壳和梁建模的走线，则起到了增强单元的作用。采用这种方法，可以完整表达详细的走线几何结构，此外，因为不必将这些走线建模成彼此连接的3D几何体，用户能更轻松地开展网格划分与仿真。

3D基础几何结构（左）和相关的2D走线增强几何结构（右）

走线增强方法的实际应用之一是热机械分析，它可用于分析走线几何结构如何影响回流焊过程中的局部变形。在组件焊接完成后，由于埋孔等特性，PCB可能发生非均匀膨胀。使用走线增强方法，设计工程师可以确定潜在缺陷并测试不同的设计修改，以进行优化。

该图所示的是局部电路板表面变形导致焊接缺陷 - 回流焊过程中的潜在问题