Memprediksi Kelelahan (Fatigue) Tegangan Termal Pada Komponen PCB Kendaraan Listrik

Penggunaan elektronik semakin meningkat dalam aplikasi otomotif. Inovasi baru seperti sistem keselamatan aktif dan pasif, propulsi listrik dan kendaraan semi dan kendaraan otomatis penuh berkontribusi pada peningkatan ini. Namun, desainer otomotif tetap harus mematuhi batasan ukuran dan pengemasan yang sama untuk memastikan ukuran dan berat kendaraan tidak bertambah. Karena itu, ada dorongan untuk membuat elektronik komponen dan paket yang lebih kecil, sekaligus meningkatkan kinerja.

Salah satu contoh perusahaan yang berkutat dalam hal ini adalah Continental Automotive. Continental telah terlihat meningkatkan penggunaan komponen Ball Grid Array (BGA) dan papan FR4 High Density Interconnect (HDI) di Printed Circuit Board Assemblies (PBCA) mereka, di mana komponen ditempatkan dengan erat di kedua sisi PCB untuk memastikan penggunaan ruang board yang paling efisien. Perubahan ini bukannya tanpa masalah dan Continental telah memperhatikan masalah keandalan tambahan pada sambungan solder karena kelelahan solder. Oleh karena itu kemampuan untuk memprediksi kegagalan sangat penting.

Saat ini kemampuan untuk memprediksi kelelahan siklus tinggi (getaran) solder dan timah tembaga dapat dicapai menggunakan Aturan Miner’s. Namun kemampuan untuk memprediksi kelelahan siklus rendah karena siklus termal diperlukan. Continental memilih untuk mengatasi hambatan ini dengan menggunakan Ansys Sherlock untuk memodelkan papan mereka dan komponen.

Pendekatan

Ansys Sherlock bisa dengan cepat baca semua informasi dalam file dan membuat papan perwakilan dengan data tumpukan lengkap, semua komponen, dan pemasangan kondisi dengan lokasi dan karakteristik materialnya. Papan menampilkan beberapa komponen BGA tercermin, di mana papan memiliki BGA yang ditempatkan di lokasi yang sama di bagian atas dan sisi bawah papan. Kedua sisi papan juga memiliki lapisan konformal yang diterapkan yang dimodelkan Sherlock menggunakan potting fungsional yang tersedia.

Sherlock dengan mudah memodelkan komponen individual dengan tingkat detail yang tinggi, termasuk memodelkan setiap bola solder pada BGA untuk memastikan kegagalan kelelahan solder kecil direkap. Hal ini dicapai dengan menggunakan pengelola paket bawaan yang berisi banyak paket industri umum dengan instruksi tentang cara terbaik untuk memodelkannya. Untuk komponen non-standar, pengguna dapat memasukkan properti tersebut ke dalam Package Manager dan Sherlock masih dapat memodelkannya secara akurat serta mempertahankan ini informasi untuk penggunaan masa depan.

Insinyur Continental mendefinisikan siklus masa pakai papan yang mencakup getaran, suhu, dan beban kejut. Insinyur juga mendefinisikan tujuan siklus masa pakaidan tingkat kegagalan yang dapat diterima dan waktu. Papan dimodelkan dengan kondisi kondisi mapan serta suhu siklus dari (-40)˚C hingga 127˚C.

a) Board Layout – Micro (Top),
b) SRAM & FLASH (Bottom), Sherlock Package Manager, c) BGA terperinci termasuk Pemodelan Bola Solder
a) Siklus suhu (-40)˚C to 127˚C, b) Papan yang Dimodifikasi dengan semua BGA di Atas

Dengan papan, komponen, batas, dan kondisi pemuatan yang ditentukan, Sherlock menganalisis PCBA menggunakan kondisi mekanik termal. Setelah hasil ini diperoleh, papan dimodifikasi dan direnovasi untuk menghilangkan BGA yang dicerminkan. Sebaliknya BGA dipindahkan sehingga semuanya berada di sisi papan yang sama. Analisis mekanik termal kemudian dijalankan kembali menggunakan kondisi yang sama.

Temuan Utama

Menggunakan Sherlock, Continental mengidentifikasi perkiraan masa pakai papan saat mengalami siklus termal. Kemampuan untuk menjadi model komponen dengan tingkat detail yang tinggi memberikan hasil yang lebih akurat. Hasil awal analisis Sherlock menunjukkan bahwa:

  • Memiliki komponen cermin memang memengaruhi masa pakai papan yang diprediksi dan menghasilkan kemungkinan kegagalan yang lebih tinggi jika dibandingkan ke papan tanpa cermin.
  • Pelapisan konformal juga dapat meningkatkan kemungkinan kegagalan. Namun, beberapa faktor yang berbeda, seperti komponen dan lokasi, dapat mempengaruhi efek ini. Insinyur perlu penyelidikan lebih lanjut untuk memahami sepenuhnya efek dari lapisan konformal sebagai lapisan, ketebalan dan komponen yang dilapisi semuanya mungkin memiliki efek pada kemungkinan kegagalan akhir.

Keuntungan

Continental mengimplementasikan Sherlock selama fase validasi desain untuk menyelidiki efek komponen cermin dan lapisan konformal di bawah kelelahan siklus rendah (Siklus Termal). Sherlock menghasilkan hasil dalam bentuk kurva PoF yang memungkinkan insinyur untuk memahami perkiraan umur PCBA mereka. Hasil ini diperoleh dalam waktu yang jauh lebih singkat daripada secara tradisional mungkin jika mereka membuat dan menguji sampel. Karena Sherlock digunakan selama tahap desain, para insinyur di Continental dapat menggunakan hasil ini untuk memodifikasi papan mereka untuk desain yang lebih baik serta mengidentifikasi area yang membutuhkan penyelidikan lebih lanjut. Sherlock’s kemampuan untuk mengidentifikasi masalah selama tahap awal pengembangan mempercepat proses menghilangkan desain yang cacat dan membantu dalam menghindari komplikasi di masa depan.

Hasil termal mekanik

PT Tensor memberikan jasa konsultasi Finite Element Analysis (FEA) dan Computational Fluid Dynamics (CFD) untuk desain engineering. Kami juga memberikan tutorial-tutorial gratis penggunaan software nya di kanal youtube kami. Hubungi kami sekarang juga!

>> KLIK DI SINI UNTUK JASA KONSULTASI

>> YOUTUBE PT TENSOR

>> KLIK DI SINI UNTUK MEMBACA ARTIKEL LAINNYA!

Kontributor: Daris Arsyada

By Caesar Wiratama

Sumber:

https://www.ansys.com/content/dam/product/structures/sherlock/ansys-sherlock-predicting-thermal-stress-fatigue.pdf (diakses pada tanggal 10 Maret 2022)

Subscribe
Notify of
guest
0 Comments
Inline Feedbacks
View all comments