Ansys 案例研究 | 瞬态热力耦合分析—PCB 组件上的热应力生成

概述

PCB 组件在工作时产生的热量会直接影响其电性能与长期可靠性。过高的温度或频繁的温度波动会引发材料老化、信号失真，并因材料间热膨胀系数不匹配而产生热应力，最终导致焊点开裂、器件失效等故障。因此，评估 PCB 可靠性必须进行瞬态热力耦合分析，即先分析动态温度场，再计算由此产生的热应力。

目标

通过高保真建模仿真，系统观察并量化印刷电路板（PCB）上关键元器件在瞬态热载荷作用下的力学响应与应力表现。

方法阐述

本研究采用瞬态热-力顺序耦合仿真方法。首先，基于元件的真实功耗曲线与环境边界条件，进行高精度瞬态热分析，获取从启动、负载变动到稳态的全过程温度场时序数据。随后，将该瞬态温度场作为体载荷映射至结构模型，通过有限元分析求解其引发的热应力与应变场。

仿真步骤

1.打开 ANSYS Workbench，创建“瞬态热力学系统（Transient Thermal System）”。 

2.关联结构分析，将“瞬态结构系统（Transient Structural System）”拖拽至瞬态热力学系统的求解（Solution）单元格上，实现两个分析系统间四个单元的共享。

3.定义部件的材料属性，此处示例使用的是钢，实际应用中应需根据真实材料设置参数。

4.导入模型，其效果如图所示。

5.分配材料至几何体。

6.在模型上施加相关的热边界条件，如图 2 所示。

7.求解该模型，然后将本次分析结束时刻或每个时间步的温度作为初始体温度输入到瞬态结构分析中（如图 3 所示）。用户可以从瞬态热分析的温度图表中复制并粘贴源时间（Source Time）和分析时间（Analysis Time）的数据。

8.在 PCB 板孔位处添加固定支撑。

9.对模型进行网格划分并运行瞬态结构仿真，输出应力结果云图，该图显示了应力随时间的变化情况。

总结

本次分析成功执行了 PCB 组件的瞬态热-顺序耦合仿真。通过将瞬态热分析得到的温度时程作为载荷，输入至瞬态结构分析中，直接观察并获得了关键元器件的热应力随时间变化的响应。

仿真结果直观展示了在功率加载或环境变化的瞬态过程中，热应力如何随温度场同步演变，清晰地揭示了应力集中区域的动态形成过程与峰值时刻。这为评估元件在真实波动工况下的瞬态力学负载与潜在风险提供了直接的依据。

本次分析有效完成了从动态热输入到动态应力输出的因果链路验证，为后续的简易可靠性评估与设计改进提供了核心的观测数据。