ilustracnyS vývojem nových technologií, které přináší usnadnění práce, ale i vytížení našeho života, enormně roste i spotřeba elektronických výrobků. Základem těchto výrobků jsou převážně desky plošných spojů.


Za účelem návrhu ekologického zpracování desek plošných spojů (DPS) vlivem teplotního cyklického namáhání jsme se věnovali rovněž simulaci probíhajících dějů pomocí programového prostředí Pro/ENGINEER. Obsahem příspěvku je způsob řešení napjatosti ve vícevrstvé desce vlivem teploty.
Pro přesnost 3D modelu k fyzickému výrobku se používají skenery, které převádí naskenované hodnoty do „mračna“ bodů v počítači a následně se tyto body spojují a vyhlazují tak, aby při optických analýzách nedocházelo ke zkreslení. Touto metodou se vyrábí např. pažby zbraní, hlavice kloubních náhrad apod. Jde o rychlou a přesnou metodu, která je ale drahá a najde uplatnění jen tam, kde se výsledek ze simulací rychle vrací v podobě včasného a přesného výrobku. Další možností je obtisk obrázku na plochu v 3D prostoru.

Modelování napjatosti v desce plošného spoje
Pro modelování desky plošného spoje (DPS) jsme provedli již zmíněný obtisk obrázku na plochu v 3D prostoru a následně provedli vytažení geometrie do prostoru. Takto lze velice rychle modelovat reálnou součástku, kde není potřeba mít hodně členitou plošnou geometrii.

obr1
Obr. 1: Modelování DPS podle skutečného podkladu


Výsledkem modelování je model s reálnými rozměry. Na obrázku níže je znázorněn výsledný model měděných vodivých cest, které jsou později uchyceny na DPS.

obr2
Obr. 2: Výsledek modelování. Měděné vodivé cesty DPS


Následně byla modelována DPS podle reálných rozměrů a vlastností.

obr3
Obr. 3: Model základní vrstvy desky z epoxidové pryskyřice


Celé modelování končí sestavením těchto dvou dílů do sestavy, která je vstupem do modulu Pro/MECHANICA. Obrázek níže zobrazuje kompletní model DPS.

obr4
Obr. 4: Model DPS určený k simulaci


Simulace DPS probíhala v modulu Pro/MECHANICA se zadáním podmínek pro simulování teplotních dějů v sestavě DPS. Prvním krokem je výběr materiálů a jeho přiřazení ke geometrii. Materiály obsahují vlastnosti, které jsou potřebné pro provedení simulací. Následně proběhlo definování ohřevu, jak výkonu ohřevu, tak i jeho poloha v sestavě. Dalším krokem je uchycení sestavy DPS v nekonečném 3D prostoru. Deska je uchycena v prostoru dle definovaných podmínek, buď bez stupňů volnosti, nebo s definovaným počtem stupňů volnosti. Definice uchycení hraje významnou roli v analýzách, protože vlivem namáhání se DPS kroutí a pohybuje se směrem, kde je ji to dovoleno.

obr5
Obr. 5: Definice podmínek pro analýzu

 

Ohřev pomocí teplotního regionu
Jedná se modelování regionu, který simuluje ohřev v konkrétním místě na DPS. Takto je testováno chování DPS při lokálním teplotním zatížením.
Pro rychlejší výpočet rozložení teplot byl model zjednodušen tím způsobem, že část geometrie byla skryta.

obr6
Obr. 6: Teplotní region pro ohřev DPS v daném místě


Po dokončení teplotní analýzy, lze analyzovat výsledky rozložení teplot v DPS. K tomuto slouží barevná stupnice a také další nástroje a funkcionality systému Pro/ENGINEER.

obr7
Obr. 7: Výsledné rozložení teplot po dokončené teplotní analýze DPS.


Jakmile je teplotní analýza dokončena, použijeme výsledné rozložení teplot pro strukturální analýzu, a to jednoduchým vložením výsledků do modulu Structure. Opět jsme provedli definice materiálů a jejich přiřazení ke geometrii a dalších podmínek nezbytných k provedení mechanické simulace. Jedním z výsledků je rozložení napjatosti, které můžeme vidět na obrázku 8 a další informací je deformace DPS vlivem namáhání, což je patrné z obrázku 9.

obr8
Obr. 8: Výsledná napjatost na rozhraní měděných vodivých cest a epoxidové desky.
obr9
Obr. 9: Deformace DPS vlivem namáhání.

 

Závěr
Výsledky jsou zajímavé z pohledu vzniklého smykového napětí mezi měděnou cestou a epoxidovou deskou. Potvrzují vypočtené výsledky. Překonané smykové napětí je lokální a dle definovaných podmínek se objevuje na hranách měděných cest. Dle barevné škály je vidět, že překonalo vypočtené smykové napětí pro lepené spoje a hrozí deformace a následně povolení spoje mezi měděnou vodivou cestou a epoxidovou deskou. Sice se objevuje jen na několika místech, ale i toto je dostačující pro pokračování separace například mechanickou cestou. Už není potřeba použít veliké síly pro stržení vodivé cesty od DPS.
Velký vliv na sdílení tepla a vznik teplotního spádu (šoku) má hustota rozmístění vodivých měděných cest na DPS. Jelikož dřívější simulace probíhaly s jednou, případně dvěma vodivými cestami, výsledky byly velice zajímavé z pohledu vzniklého smykového napětí mezi vodivými cestami a DPS. Nyní je nutné pro simulace vícevrstvých vodivých cest na DPS změnit podmínky pro uchycení DPS. Důvodem je jiné šíření tepla v desce a vzájemné ovlivňování jednotlivých vodivých měděných cest. Toto ovlivnění je způsobeno minimálními rozměry vzdálenosti mezi vodivými cestami. (Bylo použito reálné rozmístění DPS).
V modelování namáhaní v DPS budeme nadále pokračovat pro různé podmínky uchycení a režimů ohřevů. Pomocí provedených simulací lze snadno odhalit, za jakých podmínek je namáhání neúčinné a DPS se jen zkroutí a smykové napětí není překonáno.
Na základě výpočtů se budeme snažit stanovit co nejnižší teplotní diferenci za účelem minimalizace finančních nákladů na proces, spojených s ochranou životního prostředí a se snahou minimalizovat množství škodlivých látek uvolněných z DPS do okolního prostředí. V naší práci nám významně pomáhají simulace teplotního a smykového namáhaní v DPS pomocí programového prostředí Pro/ENGINEER.

TEXT/FOTO: prof. Ing. Dagmar Janáčová, CSc., Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Fakulta aplikované informatiky, Ústav automatizace a řídicí techniky a kol.

Další spoluautoři: Ing. Jiří Křenek, Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Fakulta aplikované informatiky, Ústav automatizace a řídicí techniky, doc. Ing. Ondrej Líška, CSc., Technická Univerzita Košice. Strojnícka fakulta, Katedra automatizácie, riadenia a komunikačných rozhraní, Ing. Rudolf Drga, Ph.D., Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Fakulta aplikované informatiky, Ústav bezpečnostního inženýrství

Použitá literatura
1. Vybavenost domácností počítači a připojením k Internetu [online]. cit. 2017-02-01. Český statistický úřad. Dostupné z: https://www.czso.cz
2. Zákon č. 185/2001 Sb. Zákon o odpadech a o změně některých dalších zákonů [online]. cit. 2017-02-01. Dostupné z: http://www.zakonyprolidi.cz/cs/2001-185
3. Elektroodpad [online]. cit. 2017-02-01. Dostupné z: http://www.trideniodpadu.cz/
4. Proč je dobré recyklovat vysloužilá elektro zařízení? [online]. cit. 2017-02-01. Dostupné z: https://www.kasa.cz/asekol
5. KŘENEK, J. Separace elektronického odpadu vlivem teploty, Diplomová práce,
FAI Zlín, 2007
6. Příručka pro výrobce EEZ online. cit. 2017-02-01. Dostupné z: http://www.cir.cz
7. HORÁČEK, J.: Zpracovny nekovového odpadu. 1. vyd. Praha: Česká zemědělská univerzita, 2001. str. 96. ISBN 80-213-0775-7
8. VOLEK, J., POSPÍCHAL, Z.: Dekompozice a utilizace vysloužilé domotechniky. Technický týdeník, 2000, roč. 48, 25. str. 8 – 9. ISSN 0040-1064
9. CAMANHO P., P., DAVILA C., G., DEMOURA, M., F., Numerical Simulation of Mixed-mode Progressive Delamination in Composite Materials., Journal of composite materials 37.16. 2003: p. 1415 – 1438.
10. BOŽEK, P.: In Advances in Intelligent Systems and Computing, ICSS 2013; Wroclaw; Poland; p. 229 – 240. ISSN 2194-5357. 2013
11. VASEK, L., DOLINAY, V.: International Journal of Mathematical Models and Methods in Applied Sciences, Vol. 4 (4), p. 240 – 248. (2010).
12. VASEK, L., DOLINAY, V., VASEK, V. Simulation model of a smart grid with an integrated large heat source, IFAC Proceedings Volumes (IFAC-Papers Online), 19, p. 4565 – 4570, 2014
13. STANĚK, M., MAŇAS, D., MAŇAS, M., JAVOŘÍK, J.: International Journal of Mathematics and Computers in Simulations, 5, 2011, p. 422 – 429.

Poděkování:
Práce byla provedena za finanční podpory výzkumného projektu NPU č. MŠMT-7778/2014 Ministerstva školství České republiky a Evropského fondu pro regionální rozvoj v rámci projektu CEBIA-Tech CZ.1.05 / 2.1. 00 / 03,0089.