印刷电路板的热结构分析

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前言

印刷电路板通常由多层层压材料和起加强结构强度的树脂材料粘合而成，类似于层合板结构，层间铺设金属线路，以及有垂直穿过这些层的金属通孔，作为电路板外接口。

这样一个印刷电路板热结构分析问题，传统的方法是对这些层合板（实体单元）、导电线路（壳单元）、外接金属通孔（壳单元）进行一一建模，这其中涉及到复杂的耦合和接触问题，而且电路板中包含大量导电线路、外接金属通孔，如下图示，这样的建模分析方法费力耗时。

本文基于独立网格增强单元技术(Mesh-independent reinforcing element technology)，并通过使用mesh200单元无缝的创建了印刷电路板中的铺设线路&导电通孔，这其中不涉及复杂的接触和耦合的复杂性。因此，独立网格增强单元技术为含这种内嵌入的结构的模型建立和网格划分提供了一个很好的选择。

在芷行说公众号中的《汽车充气轮胎的路面滚动模拟》一文中也利用了增强单元技术来建立轮胎内部的起结构加强的钢丝。

为了读者更容易理解独立网格增强单元技术，芷行会在下期文章中进行详细的讲解和案例分析，敬请期待。

这样的一个印刷电路板的热结构分析包含：1.由电子器件产热流在结构中传递；2.由于热不均匀性导致的电路板结构变形。因此主要分析有：

求解由热边界条件引起的热分析
解决温度负载引起的结构分析

关键仿真模拟技术特征：

独立网格增强单元技术
含嵌入式增强单元模型的建立（如电路板中的铜线结构、轮胎中的钢丝结构）

计算结果

计算结果最重要的是温度分布结果，如下。

模型建立

完整有限元模型建立的思路是：

1.建立基础层合板网格和电路以及导电孔面网格；

2.将层合板网格使用的SOLID70单元类型修改为支持增强单元技术的SOLID278单元；

3.建立MESH200单元，定义MESH200截面类型为增强单元类型、基于网格定义截面信息；

4.将电路&导电孔网格单元类型修改为3中定义的MESH200；

5.选择2中定义的SOLID278单元和3中定义的MESH200单元，在solid278网格和mesh200单元相贴附处生成增强单元，此时，可以理解为电路&通孔网格已经贴附在层合板基本网格模型上了。

具体如下：

1、基本网格模型建立

这里采用外部网格文件将基本网格导入，包含层合板网格(SOLID70）和层合板间嵌入的铺设电路&导电孔网格(SHELL131和LINK33)。

2、层合板基本网格修改为SOLID278单元

! Change all SOLID70 to SOLID278et,2001,278esel,s,ename,,70emod,all,type,2001alls

3、建立MESH200单元，定义截面类型、截面信息

et,3001,200,6    ! MESH200 4 node quad for reinforcementsect,3001,reinf,smear  ! 截面类型为增强单元型secd,1,0.042,,,,mesh   ! 增强单元截面信息（材料, 厚度，纤维方向等）secc,,1,1

4、电路&导电孔网格单元修改为3中定义的MESH200

esel,s,enam,,131emod,all,type,3001emod,all,secnum,3001

5、生成增强单元（EREINF命令）

esel,s,ename,,278        ! select solidsesel,a,ename,,200        ! also selection MESH200egid,3001ereinf                   ! generate reinforcement elements

本文中电路和导电孔采用不同的截面信息，定义方法同上一致。

材料参数

铜材料(金属导线&通孔)

层压板材料

树脂材料

边界&载荷条件

稳态热分析中将热载荷施加在模型中某个代表嵌入式铜走线单元上。

对流边界条件（Convection boundary conditions）应用于印刷电路板的顶面和底面。

稳态热分析后的下游结构分析中电路板两端自由端固支，并取消热对流边界。

求解设置

这样的一个印刷电路板的热结构分析包含两部分内容：

求解由热边界条件引起的热分析
解决温度负载引起的结构分析

1.热分析求解设置（常规设置）

! Other solution settingsautots,onnsub,1,10,1time,1.outres,all,allesel,s,type,,1859cm,_elmisc,elemesel,alloutres,misc,all,_elmisccnvtol,heat,,.001,,1.e-003    ! 热流收敛控制fini

2.结构分析求解设置

进行结构分析需要将热分析中的热单元重新定义回结构单元，使其具有结构自由，读取热分析后的温度文件。

! Read in temperatures from thermal analysisldread,temp,,,,,,rth !读取温度分布文件并作为载荷。nlgeom,oncnvtol,ucnvtol,heat,-1nsub,5,100,5resc,define,all,1outres,all,allesel,u,ename,,152SOLVEfini