大尺寸PCB板单包跌落应变仿真与测试分析

摘要：

本文基于Abaqus Dynamic Explicit求解器，采用仿真与测试方法，对大尺寸PCB板的五种包装方案进行跌落过程应变分析，并对比各方案优劣，评估不同支撑方案优化效果。总结出大尺寸PCB单独包装缓冲衬垫设计方法：一是采用双层箱设计；二是内箱衬垫要充分支撑PCB，不留有活动变形空间；三是外箱要增加衬垫缓冲厚度，不小于100mm缓冲。经过本研究优化后的包材，可对大尺寸PCB板进行充分保护，降低运输过程损坏风险，提升产品可靠性及竞争力。

随着信息化、智能化的快速发展，PCB（Printed Circuit Board，印制电路板）在各行业中得到广泛应用[1]。多数PCB板随产品外壳共同运输，具有一定的运输可靠性。在少数环境下，PCB板需单独运输，如板卡厂向组装厂供货、生产厂家向客户发货提供维修等，此时PCB板单包需要有可靠的包装进行完整保护，尤其是大尺寸PCB板的单包保护尤为重要。长度大于500mm的PCB板，被称为“大尺寸PCB板”，这种板卡通常带有贵重的芯片及较重散热器，单包设计难度较大[2]。

本文着重对大尺寸PCB的单包方案进行跌落对比，以芯片应变值为衡量因素，采用仿真与测试相结合的方法，对包装支撑及缓冲方案进行优化计，满足跌落测试要求。

一 方案阐述

本大尺寸PCB板的详细尺寸为430mm×710mm，3D示意图如图1。PCB板底面较为平整，采用全支撑方式支撑底面；顶面有8颗芯片及散热器，重量分布不均，表面电子元器件较多，泡棉缓冲支撑难度较大。本研究以Top面跌落为主要研究方向。

图1 大尺寸PCB板示意图

本次研究，主要对比三种内部泡棉缓冲方案及两种双层箱缓冲方案。方案一、方案二和方案三，为内部泡棉缓冲方案；方案四和方案五，为双层箱缓冲方案。各方案示意图，见图2至图6。详细介绍如下：

方案一：散热器未支撑，PCB表面仅1块泡棉支撑PCIe处，3块泡棉距离PCB 10mm，泡棉与PCB表面预留缓冲距离。

图2 方案一示意图

方案二：散热器有支撑，PCB表面还是1块泡棉支撑PCIe处，其他3块泡棉距离PCB 10mm。 

图3 方案二示意图

方案三：散热器有支撑，PCB表面由4块泡棉支撑。

图4 方案三示意图

以上三种方案，都是采用单层包装箱。

方案四：采用双层包装箱，1个外箱装2个内箱，2个内箱紧密摆放，外层各有40mm泡棉缓冲。

图5 方案四双层箱示意图

方案五：采用双层包装箱，外箱缓冲泡棉厚度增加为60mm，且2个内箱中间也放置60mm泡棉，相当于每一个方向跌落有120mm缓冲。

图6 方案五双层箱示意图

二跌落仿真分析

1.网格划分

采用Abaqus对PCB板、泡棉衬垫、包装箱进行网格划分等前处理操作[3]，对PCB、芯片、散热器、连接器、泡棉衬垫采用六面体单元进行网格划分，PCB网格尺寸为2mm，泡棉衬垫泡棉尺寸为5mm。包装箱采用壳单元网格建模，尺寸为10mm，再为壳单元赋予8mm厚度。仿真模型网格划分完成后，需进行装配操作，螺丝连接等装配属性采用rigid节点连接，泡棉与纸箱采用共节点方式。完成网格划分后进行网格单元质量检查及干涉调整，各零件之间干涉量小于0.001mm，最大角小于140°，最小角大于40°，长宽比小于10，翘曲度小于10，网格划分后有401500单元。网格划分后的模型，如图7、图8。

图7 PCB板网格划分

图8 包装箱网格划分

2.材料属性

本仿真模型所涉及零件多为EPE泡棉及PCB板，EPE泡棉采用的密度为23kg/m3，应力应变压缩曲线如图9。板卡连接器采用PCABS材质、散热器采用铝合金材质、仿真模型所用到的材料性能，如表1。

图9 泡棉压缩应力应变曲线

表1 材料物理性能

3.边界条件

根据整个包装箱重量28kg，跌落高度定为800mm，为整个模型施加初速度3.96m/s，即经历800mm跌落后的落地速度，为撞击地面设置位移约束，约束地面6个自由度。跌落方向为Top面朝下，对比五个方案。

4.求解器

采用Abaqus Dynamic Explicit求解器[4]，进行显式动力学运算分析。Dynamic Explicit采用显式直接积分动态分析法，属于通用分析步，不涉及迭代，以应力波向前传递的形式求解，提供了优秀的自动判断接触和自动求解计算功能，用于研究大规模相对较短时间动态响应过程[5]。设置求解时间为0.04s，质量缩放为1.8E-7。

5.仿真结果分析

以PCB板表面4个芯片四角应变为对比变量（如图10），分析各方案优劣，评估不同支撑方案优化效果。参照可靠性规范（GB/T 5095.2-1997），跌落过程PCB表面应变Spec为1200，并且红墨水实验后确保芯片焊点无锡裂。

图10 芯片应变抓取点示意

五个方案跌落仿真过程PCB芯片四角应变最大值数据，如表2。（由于应变数据较多，本文只对比芯片四角应变最大值。）

表2 跌落仿真应变值（微应变με）

通过仿真方案对比，最优方案为方案五，应变值从2300降低至610，优化效果明显。对比方案一和方案二，增加泡棉对散热器支撑可减小300应变；对比方案二和方案三，泡棉对PCB的4块支撑比1块支撑可减小400应变；对比方案三、方案四和方案五，采用双层箱方案可有效降低PCB在箱内的变形，进而减小芯片应变，增加外层箱的缓冲厚度可大幅降低PCB应变值，增加40mm缓冲厚度，应变减小500，增加120mm缓冲厚度，应变减小1000。

方案一PCB散热器未支撑，PCB表面仅一块泡棉支撑PCIe处，其余三块泡棉距离PCB 10mm，泡棉与PCB表面预留缓冲距离。包装跌落过程，PCB为倾斜状态，且PCB有较大的变形活动空间，故变形较大，芯片附近应变值超标。方案一变形及应变云图，如图11、图12所示。

图11 方案一包装跌落过程变形图

图12 方案一包装跌落过程卡板应变云图

方案五PCB散热器有支撑，PCB表面由4块泡棉支撑，包装跌落过程中，PCB为平行状态，且PCB没有变形空间，变形量很小。外层箱120mm缓冲距离，有效吸收跌落撞击能力，传递至内箱的撞击力较小，故芯片应变无超标。方案五应变云图，如图13所示。

图13 方案五包装跌落过程卡板应变云图

三 跌落测试分析

采用一块PCB板卡，对芯片四角表面进行打磨、粘贴应变片，共贴16个应变片，梳理并固定线缆，确保跌落过程线缆无额外碰撞，不会对应变测试造成干扰。针对五个方案定做Top面泡棉、包装箱，放于跌落试验台，进行5组跌落测试。跌落高度为800mm，跌落方向为Top面朝下[6]。测试过程，如图14、图15所示。

图14 板卡及包装实物图

图15 跌落过程实测图

五个方案跌落测试过程PCB芯片四角应变最大值数据，如表3。

表3 材料物理性能

通过以上测试数据对比分析，实测应变值规律与仿真值规律相符，方案五为最优方案，应变达标。采用方案五，对其余面、角、棱进行完整跌落测试，跌落完成后，对PCB进行切片，对芯片进行红墨水试验，试验证明芯片无锡裂，测试达标。

四 仿真与测试对标

跌落过程PCB表面芯片应变仿真值与测试值对标如表4，二者最大偏差130微应变，小于10%，证明本研究仿真精度达标。

表4 跌落过程PCB表面芯片应变仿真值与测试值

五 结论

本文基于Abaqus Dynamic Explicit求解器，采用仿真与测试方法，对大尺寸PCB的五种包装方案进行跌落过程应变分析，对比各方案优劣，评估不同支撑方案优化效果。得出不同支撑方式结论：增加泡棉对散热器支撑可减小300应变；增加泡棉对PCB的多处支撑可减小400应变；采用双层箱方案、增加外层箱缓冲厚度，可有效降低PCB在箱内的变形，进而减小芯片应变，增加120mm缓冲厚度，应变减小1000。方案四与方案五都能达到可靠性规范（1200微应变）的要求，方案五虽然包装成本略有提升，但其对板卡的保护性提升明显，大幅降低板卡跌落损坏的风险，所以综合考量建议采用方案五的包装方式。

图16 终板Top面衬垫设计图

基于以上结论，总结出大尺寸PCB单独包装缓冲衬垫设计方法：1.采用双层箱设计；2.内箱衬垫要充分支撑PCB，不留有活动变形空间；3.外箱要增加衬垫缓冲厚度，不小于100mm缓冲。

经过本研究优化后的包材，可对大尺寸PCB板进行充分保护，降低运输过程损坏风险，提升产品可靠性及竞争力。 

参考文献:

[1]王恩东,陈继承,胡雷钧等.基于紧耦合单跳步多平面架构的高端服务器设计[J].高技术通讯,2014,24(2):111-116.

[2]林克,张华,华世荣,等.PCB绿色制造的过滤芯和包装膜材料现状及方向[J].印制电路信息,2016,24(4):64-66.DOI:10.3969/j.issn.1009-0096.2016.04.014.

[3]林雪峰,曹子勇,曹家玉.基于云架构的服务器资源池可靠性指标的估算方法[J].电子技术与软件工程,2020(12):164-165.

[4]匡雯慧,罗勋,史洪波,付典林.全密闭加固服务器可靠性与散热性的设计[J].工业控制计算机,2021,34(05):143-145.

[5]汤平.提升服务器虚拟化系统数据的完整性和可靠性[J].网络安全和信息化,2020(09):77-80.

[6]符旭才,符运杰.加固服务器兼容性和可靠性研究[J].机电工程技术,2020,49(01):118-121.