典型用戶——摩托羅拉,英特爾,諾基亞,惠普,華為,比亞迪,UT-斯達康,Flextronics,ASM,IBM,Molex,Radius,Toshiba、Philips等

機柜抗震分析:

Abaqus軟件被廣泛用于機械,電子,土建等領(lǐng)域的抗震和沖擊方面的分析。在進行震動和沖擊方面的應(yīng)用中,Abaqus的優(yōu)勢最大體現(xiàn)在結(jié)合了隱式求解器和顯式求解器的優(yōu)點:

隱式求解器Abaqus/Standard適于進行基于頻域的動力學分析:自振頻率提取(對大規(guī)模模型可以采用并行的Lanczos特征值提取器),模態(tài)動力學,基于模態(tài)和直接積分的穩(wěn)態(tài)動力學分析,隨機響應(yīng)分析,響應(yīng)譜分析等等。以上所有分析可以基于線性或者非線性的狀態(tài)進行(如考慮結(jié)構(gòu)預(yù)載荷的頻率提取分析),通過step by step的分析方法來實現(xiàn)多步驟的分析。結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的位移,速度或加速度可以設(shè)置成隨時間變化(模態(tài)動力學)或隨頻率變化(穩(wěn)態(tài)動力學)。除此之外,Standard還提供了在時域上積分的隱式動力學分析和復(fù)頻率提取分析。

顯式求解器Abaqus/Explicit適于進行基于時域的動力學分析:該方法尤其適于高度非線性的震動和沖擊問題的分析,如考慮塑性,接觸,材料失效等效應(yīng)的問題。該方法可以在時域上精確地捕捉結(jié)構(gòu)的響應(yīng)歷程,但所消耗的計算機資源比基于模態(tài)的動力學要大許多。對于大規(guī)模模型,可以采用基于域分解的單機多CPU和多機并行(MPI)功能來加速的顯式積分的求解速度。

由于以上兩個求解器均為Abaqus自己開發(fā)的產(chǎn)品,二者的結(jié)合非常緊密,其輸入文件的語法格式完全一致。在前后處理模塊Abaqus/CAE中,還允許用戶對同一有限元模型方便地在這兩種分析方法中切換,并保留以前分析中定義好的載荷,接觸,邊界條件等內(nèi)容,這為用戶對同一個問題采用不同算法進行分析提供了方便的途徑。
Abaqus還可以方便的進行子模型的分析,并且隱式和顯式求解器均支持該功能。這對大規(guī)模模型的震動分析很有幫助:整體模型的網(wǎng)格可以比較粗進行結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)的分析,而最可能發(fā)生破壞的地方局部需要進行網(wǎng)格加密,可以作為一個子模型單獨進行分析而把整體計算的結(jié)果作為邊界條件施加到子模型上。

Abaqus提供了豐富的材料模型庫,用戶可以方便的選擇包括金屬,工程塑料,泡沫材料等多種材料本構(gòu)模型,可以考慮材料的塑性,損傷,失效,溫度相關(guān)等非線性效應(yīng),用戶還可以利用Abaqus的用戶子程序的功能進一步添加自己所需要的材料模型。

Abaqus提供了豐富的單元庫,其中的實體殼單元(SC8R,SC6R)可以讓用戶不必抽取中面就能夠模擬薄壁結(jié)構(gòu)的相互接觸作用,并允許單元的邊長比很大;修正的二階十節(jié)點四面體單元(C3D10M)允許用戶快速的劃分網(wǎng)格并確保單元的計算精度很高;連接單元庫(connector elements)提供了廣泛的機構(gòu)連接方式來模擬各種機構(gòu)部件之間的連接關(guān)系,如鉸接,焊點,萬向接頭等,甚至可以考慮連接單元的失效來模擬機構(gòu)部件在震動和沖擊作用下互相之間的脫開。

Abaqus提供了廣義剛體功能,模型中的任何一部分允許是變形體,也允許是剛體,甚至是顯示體(僅顯示出模型的形狀不參與有限元計算),這就為大規(guī)模模型的動力學計算提供了方便的途徑,用戶可以僅把最關(guān)心的模型部位作為變形體,而其他部位作為剛體,當初步的分析完成后,可以再一步一步把剛體轉(zhuǎn)化成變形體,最終獲得符合實際的結(jié)果,該功能使得用戶對分析過程的控制非常方便。

熱傳導(dǎo)和熱應(yīng)力問題:

由不同材料組成的封裝組件在溫度變化的環(huán)境下會產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力,導(dǎo)致封裝失效。Abaqus具有強大的熱固耦合分析功能,包括:穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)和瞬態(tài)熱傳導(dǎo)分析,順序耦合熱固分析,完全耦合熱固分析,強制對流和輻射分析,熱界面接觸,熱電耦合等等。可以定義從簡單彈塑性模型到隨溫度變化材料常數(shù)的熱塑性、熱硬化性、高溫蠕變等復(fù)雜材料模型,來模擬金屬、聚合物、復(fù)合材料等電子材料的熱學和力學性質(zhì)。

Abaqus包括51種純熱傳導(dǎo)和熱電耦合單元,83種隱式和顯式完全熱固耦合單元,覆蓋桿、殼、平面應(yīng)變、平面應(yīng)力、軸對稱和實體各種單元類型,包括一階和二階單元,為用戶建模提供極大的方便。右圖是臺灣新竹清華大學采用Abaqus分析BGA焊點熱應(yīng)力和熱應(yīng)變的模型圖。

Abaqus還是世界上各大汽車廠商分析發(fā)動機中熱固耦合和接觸問題的標準軟件,如奧地利著名發(fā)動機生產(chǎn)商AVL在自己的發(fā)動機分析軟件AVL.Excite中嵌入Abaqus作為求解器。下圖為采用Abaqus分析得到的某電路板的溫度場分布云圖。

典型應(yīng)用:塑料、陶瓷、金屬封裝等各種封裝組件在溫度載荷下的變形和受力、IC芯片和基板之間的導(dǎo)熱、封裝材料界面間的熱傳導(dǎo)、板上元件的強制對流散熱、散熱片通過空氣的輻射散熱等

 
熱疲勞問題:

由于受熱導(dǎo)致的應(yīng)力和應(yīng)變在溫度循環(huán)下會造成封裝材料疲勞失效,如倒裝焊中的焊點和表面貼裝中的引線熱疲勞問題。Abaqus/Standard中的直接載荷循環(huán)分析功能提供了預(yù)測承受熱載荷的彈塑性結(jié)構(gòu)的低周熱疲勞壽命。更復(fù)雜的疲勞問題可以通過Abaqus/Safe模塊來實現(xiàn)。右圖是NEC公司和紐約州立大學Buffalo分校電子封裝中心合作采用Abaqus進行表面貼裝中共晶焊點熱疲勞失效分析的結(jié)果。

沖擊和跌落問題:

深入研究個人手持電子產(chǎn)品的沖擊和跌落問題是具有挑戰(zhàn)的工作。難點來源于:

復(fù)雜的幾何體:典型的組成包括材料為 (1mm厚)熱塑塑料的前后薄壁外殼,兩個或更多個印制電路板(PCB)、連接件、鈑金片、橡膠墊、電池、金屬彈簧和一個LCD顯示屏,PCB板是三明治結(jié)構(gòu),由2到6個螺釘固定。

許多元件間的接觸作用:各個元件置于主PCB板和前后外殼之間,由粘接劑或鉚頭固定,各個元件之間和內(nèi)壁會發(fā)生接觸。

以上結(jié)構(gòu)為薄壁結(jié)構(gòu),傳統(tǒng)方法采用殼單元模擬。但從CAD軟件中導(dǎo)入的模型中往往包括上千個表面,提取中面并劃分殼單元是一個需要高技巧和豐富經(jīng)驗,并且非常耗費時間的工作。然而劃分四面體的實體單元可以在有限元軟件中自動完成,并且只需要幾分鐘。在這樣的情況下需要選擇精度和可靠性都很高的四面體單元。

跌落和碰撞問題一般需要采用顯式動力學方法進行求解,考慮裝配預(yù)應(yīng)力的跌落和碰撞分析需要結(jié)合隱式和顯式的方法進行求解。Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit中均提供10結(jié)點的修正四面體單元,模擬接觸問題精度很高,并且兩個求解器的模型可以無縫轉(zhuǎn)化,這樣為進行沖擊和跌落分析提供了一種快捷、精確的方法。所以世界上重要手機和汽車生產(chǎn)商如摩托羅拉、諾基亞、寶馬等都首選Abaqus作為跌落和碰撞分析的求解器。

封裝制造過程模擬:

各級封裝組件,如圓片的劃片、切邊,金屬封裝中的釬焊、退火,塑封中焊球的回流、固化,薄膜材料涂層等過程均是復(fù)雜的機械加工過程,研究其中的制造殘余應(yīng)力,結(jié)構(gòu)翹曲是很重要的工作。Abaqus中強大的接觸、單元生死、退火成形分析、蒙皮建模、子模型等功能可以有效的模擬各種制造過程。下圖為新加坡微電子學研究所采用Abaqus子模型的功能研究BGA封裝焊點的全局模型和研究局部細節(jié)的子模型網(wǎng)格圖。

斷裂和材料失效分析:

Abaqus的斷裂力學分析功能在商業(yè)求解器中是國際上公認的最強的,并且不斷在客戶推動下發(fā)展,最新功能包括粘結(jié)單元和虛擬裂紋閉合技術(shù)等工程斷裂分析技術(shù)。此外,Abaqus可以很方便的進行材料剪切、拉伸、屈曲等工況下失效的模擬。這樣為模擬芯片,模塑料等封裝組件開裂問題提供了有力手段。右圖是Intel公司和Abaqus合作,利用粘結(jié)單元模擬焊球和基板之間的開裂,對母板生產(chǎn)廠商提供設(shè)計標準。

分層和開裂

Abaqus不光有斷裂力學分析功能,而且在客戶推動下,最新功能包括粘結(jié)單元和虛擬裂紋閉合技術(shù)(VCCT)等工程斷裂分析技術(shù)。下圖是Intel公司做的PCB板的彎曲,焊點失效。

濕應(yīng)力:

模塑料、下填料等高分子材料在潮濕環(huán)境下會吸收水汽并脹大,造成封裝開裂、漏氣等。Abaqus中具有很強的質(zhì)量擴散分析和土壤滲流和混凝土固結(jié)分析功能,其力學本質(zhì)和濕應(yīng)力問題類似,借助這些分析功能可以有效的解決熱-濕-固三場耦合分析問題。上圖是Nokia公司、馬里蘭大學CALCE封裝中心和Philips公司合作用Abaqus計算下填料(Underfill)中潮氣擴散導(dǎo)致的濕應(yīng)力問題的結(jié)果。

聲場分析:

MEMS、麥克風和手機等封裝組件中都需要進行聲場和聲固耦合的分析,Abaqus擁有強大的聲場和聲固耦合分析功能,對結(jié)構(gòu)采用固體單元,對空氣采用聲場單元進行聲固耦合的分析,右圖是手機內(nèi)部空氣的聲壓分布云圖。

用戶舒適性:

Abaqus和HP公司一起合作研究過計算機鍵盤按鍵下的橡膠墊片的受力情況,確定用戶鍵入力、橡膠變形和電信號傳輸?shù)年P(guān)系,來提升用戶使用鍵盤的舒適性。該分析中涉及幾何大變形、超彈性材料和接觸非線性等復(fù)雜非線性問題,如右圖所示。
右下圖為Motorola公司采用Abaqus分析翻蓋手機在循環(huán)翻蓋中的絞接處變形和受力情況,為產(chǎn)品的耐用性預(yù)測提供依據(jù)。

壓電分析:

壓電材料在MEMS中被廣泛使用,Abaqus提供26種電固耦合單元可以進行這樣的分析,覆蓋桿、平面應(yīng)變、平面應(yīng)力、軸對稱和實體各種單元類型,包括一階和二階單元。國際上兩大專用MEMS軟件Coventor和IntelliSense均把Abaqus作為求解器嵌入其分析模塊中。

新的電子材料:

隨著電子行業(yè)的發(fā)展和環(huán)保的要求,各種新的電子材料如特殊的半導(dǎo)體材料和無鉛焊料層出不窮。各種新材料的機械性能、熱性能和電性能往往具有其特殊之處,需要采用新的材料模型來描述。Abaqus除了具有廣泛的材料模型庫外,還提供了很友好的用戶二次開發(fā)功能,用戶可以使用Fortran和C++語言編寫各種新的材料模型,并和Abaqus求解器關(guān)聯(lián)來深入研究新的電子材料性能。這項功能也是國際上每年數(shù)以千計的學術(shù)論文是基于Abaqus發(fā)表的重要原因。

MEMS(微電子機械系統(tǒng))裝置分析

MEMS(微電子機械系統(tǒng))裝置的計算機分析具有與眾不同的特點,需要有軟件能夠提供靈活的建模工具,對多重物理現(xiàn)象進行耦合,并將整個裝置考慮到它們的宏觀環(huán)境中去。為了滿足這些要求,Abaqus和商用 MEMS 軟件的開發(fā)者合作,向軟件包提供必要的有限元分析功能。

在MEMS 設(shè)計和分析軟件市場中,Coventor 是公認的市場領(lǐng)袖。CoventorWare 是一組集成的軟件,它利用 Abaqus 進行結(jié)構(gòu)、熱力學、壓電分析及電機和組件相結(jié)合的結(jié)構(gòu)部分的分析。列舉了兩個利用 CoventorWare Abaqus 對 MEMS 裝置進行電子機械分析的例子。

第一個裝置是一個懸掛板式可變電容器,這種可變電容器是用于加速計、回轉(zhuǎn)儀和射電頻率 (RF) 產(chǎn)品中的可調(diào)電容器。

第二個裝置是一個靜電開關(guān)(參見圖),靜電開關(guān)用在有線通訊系統(tǒng)的微觀繼電器中和無線通信系統(tǒng)的被動 RF 開關(guān)中。

右圖為一個 MEMS 開關(guān)的操作原理圖。在“OFF”狀態(tài)下,RF 線之間的電沒有連通。在“ON”狀態(tài)下,開關(guān)通過在開關(guān)自由端附近的金屬凸起與傳輸線有電的連通。

無線鼠標下落測試的模擬分析

個人電子產(chǎn)品受到機械撞擊載荷是很尋常的,特別是從手中或者桌上掉下來產(chǎn)生的撞擊。能否經(jīng)受這種載荷對于設(shè)計一個成功的產(chǎn)品很關(guān)鍵。

要評估一個電子產(chǎn)品受到撞擊載荷時的響應(yīng),需要結(jié)合實驗測試和分析模擬。與物理實驗相比,模擬有著明顯的優(yōu)勢:提供重復(fù)結(jié)果和模型上任意點的信息(應(yīng)力、應(yīng)變、加速度等等),成本低,在設(shè)計過程中,任意階段都可以進行模擬。

涉及的分析是一個無線光電鼠標從 1 米高的地方跌落的模擬。該分析主要研究電子構(gòu)件在跌落過程中可能出現(xiàn)的故障。

在撞擊區(qū)域和支持電路板凸起的底部有應(yīng)力集中。在這些區(qū)域中的應(yīng)力可采用子模型技術(shù)進行更詳細的分析,利用子模型技術(shù),整個模型得到的結(jié)果可以用來驅(qū)動某個區(qū)域中更小的、更詳細的模型。

右圖為分析結(jié)束時模型結(jié)構(gòu),連接件在大約 0.08 毫秒時損壞,引起外殼完全分離。

跌落模擬已經(jīng)成為設(shè)計個人電子產(chǎn)品必不可少的工具。Abaqus/Explicit 的先進性使得這種加載情況很容易運用到設(shè)計過程中去。

電視機線性動力學分析

整個模型部件均以殼體單元模擬。 包括后殼,顯像管,前殼三部分。前后殼為HIPS塑料,顯像管為玻璃材料。在前后殼以螺栓及卡扣相連接,顯像管與前殼以螺栓連接。分析的目的是找出電視機的共振點,合理優(yōu)化設(shè)計,降低振動響應(yīng)。
 
手機FPC優(yōu)化設(shè)計

FPC是手機中容易發(fā)生破壞的部件之一,為破壞分析更加準確,結(jié)合FPC的實際結(jié)構(gòu),應(yīng)用雙層層結(jié)構(gòu)來模擬FPC模型,材料模型選用五層二維各向異性層材料模型,并在層材料上采用分區(qū)處理以更加準確的模擬FPC的銅線層。