인쇄 회로 기판(PCB)을 설계할 때, 전자적 고장의 주요 원인인 열 순환, 진동, 기계적 충격 및 낙하를 조심해야한다. 다양한 물리적 테스트를 수행하여 전자 장치가 어떻게 그리고 왜 실패했는지 확인할 수 있지만 PCB 모델링 및 시뮬레이션은 훨씬 빠르고 비용 효율적인 솔루션이다.
시뮬레이션이 물리적 테스트와 함께 사용되는 경우(예를 들어, 물리적 테스트가 시뮬레이션 결과에 맞게 조정되고 하나 또는 두 개의 테스트만 필요한 경우) 전자제품에 대한 신뢰성을 가상으로 보장할 수 있다.
진동에 맞선 PCB 설계 최적화
진동에 맞서 PCB 설계를 최적화하려면, 첫 번째 단계는 PCB의 고유 주파수 범위를 결정하는 것이다. 이렇게 하려면 Ansys Sherlock 또는 Ansys Mechanical과 같은 시뮬레이션 도구를 사용하여 알아낼 수 있는 모달 분석 또는 고유 진동수 해석을 해야 한다.
진동 분석 예시
아래 예에서는 보드 하단 근처에 고위험 부품 3개가 있는 PCB의 진동 분석을 볼 수 있다. 여기에는 변형이 있는 장착 지점 과 더 큰 부품들이 있다. 설계를 최적화하려면 중앙 장착 지점을 제거하고 두 개의 마운트를 추가하여 변형을 완화하고 부품 문제들 중 하나를 해결할 수 있다.
다음으로 나머지 두 고위험 부품에 접착제 스테이킹을 추가하면 부품에 대한 지원을 제공하고 일부 변형을 완화할 수 있다.
또한 큰 부품은 고 변형 영역(마운트 지점, 큰 부품 사이 또는 근처의 영역 또는 V-score breakaways 근처)에서 멀리 이동시키고, BGAs, 세라믹 커패시터 및 QFN과 같은 변형에 민감한 부품을 변형 가능성이 높은 곳에서 멀리 두는 것도 좋은 방법이다. 이렇게 하면 PCB 설계가 무작위 및 고조파 진동에 최적화된다.
충격에 맞선 PCB 설계 최적화
기계적 충격은 기계적 변위를 유발하는 갑작스럽고 불규칙한 가속이 있을 때 발생한다. 구체적으로, 10G이상의 가속이 100,000회 미만 있을 때 기계적 충격이 20ms미만동안 발생한다.
충격에 맞서는 PCB를 설계할 때 좋은 규칙은 보드의 공진 주파수를 충격 펄스 주파수보다 최소 3배 높이는 것이다.
Example: 10 ms pulse
50 Hz pulse frequency
Board should be > 150 Hz
기계적 충격 및 낙하로 인한 PCB 고장 위험을 완화하기 위해 아래와 같은 여러가지 전략을 이용할 수 있다.
자극 감소
- 대형 전자 조립체용 충격 차단기
- 휴대폰 케이스, 범퍼와 같은 외부 쿠션
- 배터리가 튀어 나오는 등의 질량 방출
부품의 수준
- 부품 선택
- 세라믹 커패시터의 유연한 종료
- 리드 부품
- 본딩
- 언더필/에지 본딩/스테이킹
PCB 설계
- PCB의 두께
- 마운트 포인트의 위치
열 환경에 맞선 PCB 설계 최적화
반복되는 온도 변화는 전자적 고장의 가장 일반적인 원인이다. 일반적으로 PCB 부품과 보드 간의 열팽창 계수(CTE) 불일치로 인해 발생하는데 부품과 기판 사이의 CTE 불일치가 클수록 납땜 접합 실패 가능성이 커진다.
그러나 각 지역별 환경으로 인해 오류가 발생할 수도 있습니다. 예를 들어, 자동차 전자 제품의 PCB는 알루미늄 하우징 내에서 지나치게 제약 받는다. PCB의 차가운 면은 축소되며, 뜨거운 면은 확장되고 또는 두 상황 모두가 발생하여 보드가 찌그러진다.
위와 같은 상황을 분석하려면 일반적으로 하우징이 없는 보드의 분석과 하우징이 있는 보드에 대한 분석을 변형률 vs. 변형률 비교를 통해 실행한다. 이 분석은 차대/외함으로 인한 리드 변형 증가를 확인하는 데 도움이 된다.
열 분석 예시
아래 예는 차대가 없는 보드의 분석을 보여주는데 BGA에 부담이 있음을 알 수 있다.
하우징 된 보드 분석을 했을 때, 압박이 두 배로 증가했음을 알 수 있다.
위의 표를 보면 Sherlock이 제공 한 납땜 피로 신뢰성 예측을 확인할 수 있다. 차대에 보드를 장착하면 보드의 고장 위험이 높아진다. 이러한 위험을 완화하려면 다른 차대 재료, 다른 PCB 장착 지점, 접착제 스테이킹 또는 기타 부품 위치를 고려해야한다.
세 가지 예에서 볼 수 있듯이 진동, 충격 및 열 환경에 맞게 보드를 설계할 때 내릴 수 있는 가장 중요한 설계 결정은 다음과 같다.
- 압박에 민감한 부품은 변형률이 높은 영역에서 제거
- 마운트 지점을 이동하여 보드 및 부품에 대한 스트레스 완화
- 신중한 재료 선택
이러한 각 환경 요인의 시뮬레이션은 테스트 반복 및 설계 시간을 줄이고 제품의 신뢰성과 수명에 대한 가치 있는 통찰력을 제공한다.
출처 : Ansys Optimize Your PCB for Vibration, Shock and Thermal Environments
