Sherlock™ este un instrument software dezvoltat de DfR Solutions cu sediul în Beltsville, Maryland, SUA și a fost achiziționat de ANSYS, Inc. în mai 2019.
În zilele noastre, componentele electronice sunt prezente în aproape orice produs, ele devenind tot mai mici, fiind nevoie de algoritmi de calcul foarte preciși pentru a preîntâmpina posibilitatea defectării acestora.
Ansys Sherlock este un software de simulare, care oferă previziuni precise ale duratei de viață pentru componentele electronice la nivel de component, placă de circuite și sistem, în fazele incipiente de proiectare fiind conceput pentru a fi utilizat de inginerii din industria electronică.
Sherlock se integrează perfect cu Ansys Workbench, Ansys Icepak și Ansys Mechanical.
Importul unui proiect
Ansys Sherlock lucrează cu fișiere ECAD și există două moduri principale de a crea un proiect:
- putem utiliza funcția Import… pentru a importa o arhivă sau un fișier de proiect ECAD dintr-unul dintre tipurile de fișiere standard din industrie enumerate: Ansys EDB File, CADIF Archive, ODB XML Archive, ODB Archive, Eagle Archive, GDSII File, IPC-2581 Archive, GenCAD Archive.
- putem folosi o colecție ad-hoc de fișiere CAD furnizate de obicei producătorilor de PCB în scopuri de producție (fișiere care descriu straturile de cupru), unul sau mai multe fișiere care descriu dimensiunile și locațiile găurilor de conexiune dintre straturi (drill-holes), o listă de materiale BOM, fișiere Pick & Place (conține poziția fiecărui component electronic de pe PCB), etc..
Odată ce fișierul sau colecția de fișiere ECAD sunt aduse în Sherlock, acesta apare în arborele proiectului (în partea stângă).
Fig. 1- Arborele proiectului “pcb”
După cum se poate observa, în figura de mai sus, Sherlock organizează fișierele de design și de setări ale analizei sub formă de foldere tip „proiect” care pot fi gestionate în cadrul aplicației și partajată între utilizatorii.
Astfel, proiectul constă din două seturi de informații de bază, definiția “Life Cycle” și “Placa principală” (Main Board).
În acest proiect este definită o singură placă de circuite imprimate, dar proiectele pot conține mai multe astfel de plăci.
Informația asociată cu placa principală include subfolderele Files, Inputs, Analysis și Rezults.
Ciclul de viată
Ciclul de viață al produsului (Life Cycle) definește obiectivele de fiabilitate dorite și diversele solicitări de mediu la care plăcile de circuite vor fi supuse de-a lungul duratei de viață.
Sherlock poate defini o gamă largă de cicluri de viață, de la simplu la complex, care sunt apoi utilizate de modulele de analiză pentru a prezice fiabilitatea plăcilor de circuit.
În acest exemplu, scopul este ca după 5 ani de serviciu, probabilitatea de rupere sa fie de 20%.
Fig. 2 – Criteriul de fiabilitate
Extindeți folderul „Life Cycle” pentru a afișa toate definițiile sale. Vedem că Ciclul de viață este format din două „faze” numite „Environmental” și „On The Road”. La rândul său, fiecare fază constă din mai multe „evenimente” reprezentând diversele solicitări pe care produsul le va suporta pe parcursul întregii durate de funcționare sau doar pe parcursul unei durate limitate.
A doua fază “On The Road” constă din cinci evenimente: un ciclu termic “Thermal Shock”, două șocuri “Pothole” și “Collision”, o solicitare la o vibrație armonică “Harmonic Vibe” și o solicitare la vibrații aleatoare “Vibration”.
Fig. 3 – Faze si evenimente care solicită produsul
Folderul “Files”
Dacă examinăm folderul „Fișiere”, putem vedea colecția fișierelor designului care au fost importate în Sherlock. Din aceste fișiere sunt derivate datele de intrare necesare analizelor.
În acest caz, vedem două fișiere care furnizează informații despre componentele din partea superioară si inferioară a plăcii (comp-top.odb, comp-bot.odb), șase fișiere de definire a straturilor de cupru (cooper-1.odb, …, cooper-6.odb), două straturi de lac (silk-top.odb si silk-bot.odb), două straturi Solder Mask (sm-top.odb si sm-bot.odb) și informații despre datele termice ale diferitelor componente (Thermal Map.csv).
Fig. 4 – Fișierele care conțin informații despre straturile de cupru și componente
Pe lângă faptul că oferă o listă a tuturor fișierelor de design, Tree-ul proiectului poate fi folosit și pentru a vizualiza rapid aceste fișiere de proiectare în diferite formate.
De exemplu, dacă faceți dublu clic pe intrarea „cupru-01.odb” din Tree, va apărea fereastra „Layer Viewer” din Sherlock. Aici putem vizualiza componentele de pe fața superioară sau inferioară a PCB-lui , Solder Mask-urile și Punctele de fixare ale PCB-lui.
“Layer Viewer” afișează unul sau mai multe layere asociate cu placa de circuit selectată. În acest caz, vizionăm stratul superior de cupru (urmele verzi), împreună cu conturul plăcii (conturul sub formă de dreptunghi albastru).
Combinația de filtrare a layerelor și a caracteristicilor face ca “Layer Viewer” să fie un mod excelent de a examina detaliile designului plăcii de circuite și rezultatele analizelor.
Fig. 5 – Straturi de cupru și componente electronice vizualizate cu Layer Viewer
Folderul “Inputs”
Dacă extindeți sub-arborele „Inputs” din Proiect Tree, veți vedea informații despre lista de componente (Part List), informații despre grosimile și materialele layerelor (Stackup), Layere, Pick & Place și Drill Holes (găurile prin care se fac conexiunile dintre straturi).
Fig.6 – Conținutul folderului “Inputs”
Ultimele 3 intrări (Layers, Pick & Place și Drill Holes) deschid pur și simplu fereastra Layer Viewer (despre care am vorbit puțin mai înainte). Primele două, însă, afișează două afișaje de date foarte importante și anume Lista de piese și Informațiile de stivuire.
Faceți dublu clic pe „Part List” pentru a afișa lista parturilor. După cum sugerează și denumirea, lista de piese arată o listă a tuturor pieselor asociate acestui PCB.
Aceasta listă de piese are un cod de culori pentru a indica unde au fost găsite diferitele informații pentru parturile respective, deoarece aceste informații pot avea mai multe surse de proveniența (și uneori pot fi in conflict).
De asemenea, codul de culori ajută astfel utilizatorul sa examineze corectitudinea surselor proprietăților componentelor.
Part List permite utilizatorului sa mențină mai multe proprietăți ale pieselor, adică pentru aceeași piesă proprietăți diferite din surse diferite. De asemenea, putem modifica proprietățile, filtra parturile (pentru vizualizare) precum și să le exportăm în fișiere *.csv pentru utilizări ulterioare.
Fig.7 – Lista parturilor
Datele asociate cu placa de circuite în sine sunt păstrate in sub-folderul “Stackup”.
Tabul “Main Board Stackup” prezintă designul și proprietățile mecanice asociate cu fiecare strat al Placii de circuite (așa cum sunt derivate din fișierele de design sau cum au fost introduse manual de utilizator). De asemenea, sunt afișate proprietățile mecanice de ansamblu derivate automat de Sherlock pentru placa de circuit. (Coeficientul de dilatare termică în planul XY, pe direcția axei Z, la fel Modulul de Elasticitate, Densitate,…). Aceste proprietăți mecanice sunt utilizate de modulele de analiză cu elemente finite ulterioare.
Fig.8 – Proprietățile PCB-lui
Folderul “Analysis”
Toate fișierele de proiectare și datele de intrare sunt păstrate cu un singur scop, pentru a permite modulelor de analiză Sherlock să prezică fiabilitatea plăcii de circuit. De cele mai multe ori, taskurile de analiză pot fi executate oricând, odată introduse o cantitate minimă de date.
De exemplu, odată ce am definit un ciclu termic putem realiza o analiză de oboseală pe îmbinările dintre componentele electronice si PCB. Pentru aceasta alegem analiza “Solder Fatigue”.
Fig.9 – Definirea unei analize la oboseală a îmbinării dintre PCB si componente
Folderul “Results”
Scopul principal al Sherlock este de a genera rezultate din analiză. Diagrama de predicție a duratei de viață arată un rezumat al tuturor rezultatelor analizelor care prevăd ca rezultat fiabilitatea componentelor plăcii de circuite, precum și o afișare grafică a obiectivelor de fiabilitate specificate definirea “Life Cycle”.
Fig.10 – Rezultate sub forma predicției duratei de viață a componentelor
Aici putem vedea cu ușurință că produsul nu îndeplinește cerințele de fiabilitate impuse. Conform graficului, obiectivul de 20% șanse ca ansamblul sa cedeze la solicitarea de oboseală la vibrații aleatorii, șoc, vibrații armonice este mult sub targetul de 5 ani.
Se estimează că, relativ la solicitarea la oboseala solderului, ansamblul se va încadra în obiectivul dorit.
Curba cu efecte combinate arată că placa de circuite nu va respecta obiectivele generale de fiabilitate.
În concluzie
Ansys Sherlock lucrează atât cu fișiere native, cât și universale ECAD. Aceste fișiere dețin informații necesare realizării studiilor de fiabilitate bazate pe metoda elementului finit combinate cu fizica eșecului. În acest articol s-a trecut în revistă doar o analiză de oboseală a îmbinării unui PCB, dar putem realiza multe alte analize cum ar fi analize modale, armonice, vibrații aleatorii, tranzitorii, etc…
Despre INAS
Prezentă pe piața de profil din România încă din anul 1991, INAS S.A. este astăzi unul dintre principalii furnizori de soluții CAD/CAM/CAE/PLM/IoT/AR și servicii conexe, pentru industria românească. Încă de la înființare, INAS s-a remarcat prin orientarea constantă către client și prin preocuparea de a introduce pe piață produse software complete și inovative care să răspundă celor mai exigente cerințe ale utilizatorilor săi.
Având și o bogată experiență practică, acumulată ca urmare a colaborărilor cu parteneri de prestigiu atât din industria românească cât și din străinătate, specialiștii INAS furnizează consultanță tehnică de specialitate în domeniul ingineresc, respectiv servicii de proiectare și analiză, pentru o gamă largă de domenii industriale, de la construcția de autovehicule și mașini grele la industria nucleară și apărare.
Puteți solicita o ofertă de preț la adresa: https://www.inas.ro/ro/servicii/cerere-de-oferta