大尺寸PCB板單包跌落應變仿真與測試分析

文 / 龔寶龍 張海龍 路紀雷

隨著信息化、智能化的快速發展，PCB（Printed Circuit Board，印制電路板）在各行業中得到廣泛應用[1]。多數PCB板隨產品外殼共同運輸，具有一定的運輸可靠性。在少數環境下，PCB板需單獨運輸，如板卡廠向組裝廠供貨、生產廠家向客戶發貨提供維修等，此時PCB板單包需要有可靠的包裝進行完整保護，尤其是大尺寸PCB板的單包保護尤為重要。長度大于500mm的PCB板，被稱為“大尺寸PCB板”，這種板卡通常帶有貴重的芯片及較重散熱器，單包設計難度較大[2]。

本文著重對大尺寸PCB的單包方案進行跌落對比，以芯片應變值為衡量因素，采用仿真與測試相結合的方法，對包裝支撐及緩沖方案進行優化設計，滿足跌落測試要求。

一、方案闡述

本大尺寸PCB板的詳細尺寸為430mm×710mm，3D示意圖如圖1。PCB板底面較為平整，采用全支撐方式支撐底面；頂面有8顆芯片及散熱器，重量分布不均，表面電子元器件較多，泡棉緩沖支撐難度較大。本研究以Top面跌落為主要研究方向。

圖1 大尺寸PCB板示意圖

本次研究，主要對比三種內部泡棉緩沖方案及兩種雙層箱緩沖方案。方案一、方案二和方案三，為內部泡棉緩沖方案；方案四和方案五，為雙層箱緩沖方案。各方案示意圖，見圖2至圖6。詳細介紹如下：

圖2 方案一示意圖

圖3 方案二示意圖

圖4 方案三示意圖

圖5 方案四雙層箱示意圖

圖6 方案五雙層箱示意圖

方案一：散熱器未支撐，PCB表面僅1塊泡棉支撐PCIe處，3塊泡棉距離PCB 10mm，泡棉與PCB表面預留緩沖距離。

方案二：散熱器有支撐，PCB表面還是1塊泡棉支撐PCIe處，其他3塊泡棉距離PCB 10mm。

方案三：散熱器有支撐，PCB表面由4塊泡棉支撐。

以上三種方案，都是采用單層包裝箱。

方案四：采用雙層包裝箱，1個外箱裝2個內箱，2個內箱緊密擺放，外層各有40mm泡棉緩沖。

方案五：采用雙層包裝箱，外箱緩沖泡棉厚度增加為60mm，且2個內箱中間也放置60mm泡棉，相當于每一個方向跌落有120mm緩沖。

二、跌落仿真分析

1.網格劃分

采用Abaqus對PCB板、泡棉襯墊、包裝箱進行網格劃分等前處理操作[3]，對PCB、芯片、散熱器、連接器、泡棉襯墊采用六面體單元進行網格劃分，PCB網格尺寸為2mm，泡棉襯墊泡棉尺寸為5mm。包裝箱采用殼單元網格建模，尺寸為10mm，再為殼單元賦予8mm厚度。仿真模型網格劃分完成后，需進行裝配操作，螺絲連接等裝配屬性采用rigid節點連接，泡棉與紙箱采用共節點方式。完成網格劃分后進行網格單元質量檢查及干涉調整，各零件之間干涉量小于0.001mm，最大角小于140°，最小角大于40°，長寬比小于10，翹曲度小于10，網格劃分后有401500單元。網格劃分后的模型，如圖7、圖8。

圖7 PCB板網格劃分

圖8 包裝箱網格劃分

2.材料屬性

本仿真模型所涉及零件多為EPE泡棉及PCB板，EPE泡棉采用的密度為23kg/m3，應力應變壓縮曲線如圖9。板卡連接器采用PCABS材質、散熱器采用鋁合金材質、仿真模型所用到的材料性能，如表1。

表1 材料物理性能

圖9 泡棉壓縮應力應變曲線

3.邊界條件

根據整個包裝箱重量28kg，跌落高度定為800mm，為整個模型施加初速度3.96m/s，即經歷800mm跌落后的落地速度，為撞擊地面設置位移約束，約束地面6個自由度。跌落方向為Top面朝下，對比五個方案。

4.求解器

采用Abaqus Dynamic Explicit求解器[4]，進行顯式動力學運算分析。Dynamic Explicit采用顯式直接積分動態分析法，屬于通用分析步，不涉及迭代，以應力波向前傳遞的形式求解，提供了優秀的自動判斷接觸和自動求解計算功能，用于研究大規模相對較短時間動態響應過程[5]。設置求解時間為0.04s，質量縮放為1.8E-7。

5.仿真結果分析

以PCB板表面4個芯片四角應變為對比變量（如圖10），分析各方案優劣，評估不同支撐方案優化效果。參照可靠性規范（GB/T 5095.2-1997），跌落過程PCB表面應變Spec為1200，并且紅墨水實驗后確保芯片焊點無錫裂。

圖10 芯片應變抓取點示意

五個方案跌落仿真過程PCB芯片四角應變最大值數據，如表2。（由于應變數據較多，本文只對比芯片四角應變最大值。）

表2 跌落仿真應變值（微應變με）

通過仿真方案對比，最優方案為方案五，應變值從2300降低至610，優化效果明顯。對比方案一和方案二，增加泡棉對散熱器支撐可減小300應變；對比方案二和方案三，泡棉對PCB的4塊支撐比1塊支撐可減小400應變；對比方案三、方案四和方案五，采用雙層箱方案可有效降低PCB在箱內的變形，進而減小芯片應變，增加外層箱的緩沖厚度可大幅降低PCB應變值，增加40mm緩沖厚度，應變減小500，增加120mm緩沖厚度，應變減小1000。

方案一PCB散熱器未支撐，PCB表面僅一塊泡棉支撐PCIe處，其余三塊泡棉距離PCB 10mm，泡棉與PCB表面預留緩沖距離。包裝跌落過程，PCB為傾斜狀態，且PCB有較大的變形活動空間，故變形較大，芯片附近應變值超標。方案一變形及應變云圖，如圖11、圖12所示。

圖11 方案一包裝跌落過程變形圖

圖12 方案一包裝跌落過程板卡應變云圖

方案五PCB散熱器有支撐，PCB表面由4塊泡棉支撐，包裝跌落過程中，PCB為平行狀態，且PCB沒有變形空間，變形量很小。外層箱120mm緩沖距離，有效吸收跌落撞擊能力，傳遞至內箱的撞擊力較小，故芯片應變無超標。方案五應變云圖，如圖13所示。

圖13 方案五包裝跌落過程應變云圖

三、跌落測試分析

采用一塊PCB板卡，對芯片四角表面進行打磨、粘貼應變片，共貼16個應變片，梳理并固定線纜，確保跌落過程線纜無額外碰撞，不會對應變測試造成干擾。針對五個方案定做Top面泡棉、包裝箱，放于跌落試驗臺，進行5組跌落測試。跌落高度為800mm，跌落方向為Top面朝下[6]。測試過程，如圖14、圖15所示。

圖14 板卡及包裝實物圖

圖16 終板Top面襯墊設計圖

五個方案跌落測試過程PCB芯片四角應變最大值數據，如表3。

表3 材料物理性能

通過以上測試數據對比分析，實測應變值規律與仿真值規律相符，方案五為最優方案，應變達標。采用方案五，對其余面、角、棱進行完整跌落測試，跌落完成后，對PCB進行切片，對芯片進行紅墨水試驗，試驗證明芯片無錫裂，測試達標。

四、仿真與測試對標

跌落過程PCB表面芯片應變仿真值與測試值對標如表4，二者最大偏差130微應變，小于10%，證明本研究仿真精度達標。

五、結論

本文基于Abaqus Dynamic Explicit求解器，采用仿真與測試方法，對大尺寸PCB的五種包裝方案進行跌落過程應變分析，對比各方案優劣，評估不同支撐方案優化效果。得出不同支撐方式結論：增加泡棉對散熱器支撐可減小300應變；增加泡棉對PCB的多處支撐可減小400應變；采用雙層箱方案、增加外層箱緩沖厚度，可有效降低PCB在箱內的變形，進而減小芯片應變，增加120mm緩沖厚度，應變減小1000。方案四與方案五都能達到可靠性規范（1200微應變）的要求，方案五雖然包裝成本略有提升，但其對板卡的保護性提升明顯，大幅降低板卡跌落損壞的風險，所以綜合考量建議采用方案五的包裝方式。

本文基于Abaqus Dynamic Explicit求解器，采用仿真與測試方法，對大尺寸PCB的五種包裝方案進行跌落過程應變分析，對比各方案優劣，評估不同支撐方案優化效果。

基于以上結論，總結出大尺寸PCB單獨包裝緩沖襯墊設計方法：1.采用雙層箱設計；2.內箱襯墊要充分支撐PCB，不留有活動變形空間；3.外箱要增加襯墊緩沖厚度，不小于100mm緩沖。

經過本研究優化后的包材，可對大尺寸PCB板進行充分保護，降低運輸過程損壞風險，提升產品可靠性及競爭力。