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可撓性面板(FPCB)的模擬攻略Sherlock-Mechanical 聯合模擬方案

Chucky Chang 張學哲, Ansys

Introduction

什麼是FPCBs?• Flexible Printed Circuit Boards又稱為柔性線路板、軟性電路板、軟

性線路板、撓性線路板、軟板等。它們使電路能夠被設計成適合電子設備或產品，而不是設計設備或產品以符合電路板。

為什麼 FPCB 優於傳統PCB?• 節省空間: FPCBs 所需的空間和重量僅為普通PCB的 10%左右，這一特性

提供了極大的安裝和包裝的自由度。

• 更好的可靠度: FPCBs 僅需要少量的連結，進而減少crimps, connectors 和 solder joints的數量提升可靠度

• 優秀的配合能力: FPCBs幾乎可以與任何類型的連接器或組件兼容，並且可以很好地與 ZIP 連接器等選項配合使用。它們在極端溫度下也表現出色，並具有出色的抗輻射和耐化學性。

Introduction

應用• 氣囊系統

• 汽車馬達控制

• 防鎖死制動器

• 條碼設備

• 航空電子設備

• 電池組

• 計算器

• 相機

• 手機

• 心臟監護儀與起博器

• 燃油泵

材料• RA copper 軋製退火

• ED copper 電沉積

• Aluminum

• Carbon

• Silver ink

• Inconel 鉻鎳鐵合金

• Constantan 銅鎳合金

Polyimide

CopperAdhesive

AdhesivePolyimide

Cover Layer

Base Material

Introduction

• 挑戰

‐ 結構設計與電子設計的平衡

• 為了要讓FPCB易於彎折，會儘量將材料的可撓性提升，因此將實體銅改成網銅。

• 網銅的使用會讓EMI變差，並且讓高速訊號的傳遞能力變差。

‐ 銅線壽命

• 在反覆彎折的狀況下，銅線的破損會導致電阻值升高影響產品表現

該如何在結構與電子設計間達到平衡，且同時確認銅線的壽命？

Introduction

• ANSYS 為FPC和電子元件的建模提供領先的解決方案。

• 將ECAD檔案直接導入ANSYS，並透過Sherlock與Mechanical進行分析

Flexes modeling techniques in Ansys

Who’s Sherlock

• Sherlock: 唯一能夠提供複合壽命預測曲線的模擬軟體‐ 可以基於CAE得出的結果資料，提供故障時間(time-to-failure)和可靠性預測，這些預測是制

定設計成本決策(如保修成本)或縮短上市時間所必需的關鍵，決定了產品的競爭優勢。

Constant Failure Rate Generic Actuarial MTBF Database

PTH Thermal Cycling Fatigue

Thermal Cycling Solder Fatigue

Vibration Fatigue

Over All Module

Combined Risk

Customer Loyalty - Key Indicator for Success

用戶滿意度提升1年使用週期內，“0＂故障的產品比率↑

售後成本降低3年使用週期內，故障維修產品的比率↓

Who’s Sherlock客戶成功案例

Who’s Sherlock

• Sherlock: 為電子產品FEA提供專用的前、後處理‐ FEA前處理：將ECAD檔轉化為可以直接用於FEA的3D幾何模型，且包

含材料屬性，過程只需要幾分鐘。

‐ FEA後處理：基於FEA模擬結果溫度、應力、應變進行系統可靠性預測。

‐ Sherlock材料庫：全球/本地材料庫，包含器件/封裝/層材料/物料/焊點材料的測試資料。

Simulation target

Breakdown of Pine Phone board

目標:-模擬FPCB彎折180度的現象

-FPCB受到的反力

-銅線的應變情況

Pine Phone and the Flex PCB

• Reinforcement Element: 透過元素鑲嵌的方式達到相同的剛性描述‐ 節點資訊共享：透過共用的節點與傳統的網格共享資訊

‐ 簡化接觸關係： Reinforcement Element不需要與傳統網格設定接觸關係

Reinforcement Element Technology

Component

PCB (Solid elements with embedded reinf elements )

Component

PCB (Shell elements with embedded reinf elements )

Reinforcement Element: Smear Reinforcement:

Reinforcement Element: Discrete Reinforcement Base Element: Solid base

Base Element: Shell base

Workflow : reinforcement approachSherlock:• 匯入ECAD檔案• 建立FPCB CAD (wbjn and py file )• 建立殼元素銅線幾何 (step file)

Workbench:• 讀取wbjn檔• wbjn 檔會自動建立基礎的workflow• 新增Mechanical Model，導入銅線幾何• 連接銅線與PCB Model

Mechanical:• 定義材料• 定義PCB版接觸條件• 定義邊界條件• 定義reinforcement element• 求解與後處理

Workbench project Schematic

Simulation result: reinforcement model

Reinforcement ElementsSolid Elements

Plastic Strains developed in Trace Layer 1 Plastic Strains developed in Trace Layer 2

Reinforcement ElementsSolid‐Shell Elements

Reinforcement ElementsShell Elements



Reinforcement ElementsSolid Elements Reinforcement ElementsSolid‐Shell Elements




Reinforcement ElementsSolid Elements Reinforcement ElementsSolid‐Shell Elements


Comparative Analysis: Solid Vs Shell Vs Solid-Shell

比較對象為Trace Model approach

Trace Reinforcement (Shell Base)

Trace Reinforcement (Solid Base)

Trace Reinforcement (Solid Shell Base)

Trace Model

Plastic Strain

Comparative Analysis: Solid Vs Shell Vs Solid-Shell

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

Forc

e (N

)

Time

Z reaction (N)

Reaction Z (Trace Model)

Reaction Z (Trace Reinf shell base)

Reaction Z (Trace Reinf solid base)

Reaction Z (Trace Reinf solidshell base)

‐1.2

‐1

‐0.8

‐0.6

‐0.4

‐0.2

0

0.2

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

Forc

e (N

)

Time

Y Reaction (N)

Reaction Y (Trace model)

Reaction Y (Trace Rreinf shell base)

Reaction Y (Trace Rreinf solid base)

Reaction Y (Trace Rreinf solid shell base)

Reaction Force

Trace-mapping Technology

• Trace Mapping model:透過走線印射簡化PCB板模型‐ 單一網格材料獨特性：描述PCB內的走線特徵

‐ 網格建模簡化：僅需對PCB建立網格模型

ECAD Data FEA mesh Mapped metal fraction

Workflow : trace-mapping approach

Trace Mapping Mesh

Trace mapped Model 2: Mesh is refined at the location of high stress

Trace mapped Model 3: Mesh is refined in the region under bending

Workflow : trace-mapping approach

Trace Mapping Mesh

Trace mapped Model 1 Trace mapped Model 2 Trace mapped Model 3

Trace-reinforcement Vs Trace-mapping

比較對象為Trace Model approach

Trace Reinforcement (Solid Shell Base)

Trace Model

Plastic Strain

Trace-reinforcement Vs Trace-mappingReaction Force

‐0.06

‐0.04

‐0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

Forc

e (N

)

Time

Z reaction (N)

Reaction Z (Trace Model) Reaction Z (Trace Reinf solidshell base)

Reaction Z (Trace map Model 1) Reaction Z (Trace map Model 2)

Reaction Z (Trace map Model 3)

‐1.2

‐1

‐0.8

‐0.6

‐0.4

‐0.2

0

0.2

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

Forc

e (N

)

Time

Y Reaction (N)

Reaction Y (Trace model) Reaction Y (Trace Rreinf solid shell base)

Reaction Y (Trace map Model 1) Reaction Y (Trace map Model 2)

Reaction Y (Trace map Model 3)

Trace-reinforcement Vs Trace-mapping

Trace Model Solve time: 373 minutesNote: No. of cores used = 4

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

Trace Reinf(solid Base)

Trace Reinf(shell Base)

Trace Reinf(solid shellBase)

Trace MapModel 1

Trace MapModel 2

Trace MapModel 3

Solv

e Ti

me

(Min

utes

)

Solve Time

Summary

• Trace reinforcement可以準確描述銅線的應力應變，得到銅線的受力表現。

• Trace reinforcement的求解速度比傳統trace modeling 快了100倍以上。

• 若要用trace-mapping的技術達到與reinforcement相同的準確度，需要非常精細的網

格，較長的求解時間，且在應變現象的描述還是較reinforcement來的差。

• 對 FPCB 建模，推薦是以solid-shell base為基礎元素的reinforcement model 。

• FPCB彎板模擬可以應用在網銅的設計，搭配電子設計分析，找出結構設計與電子設計

的平衡點。

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