元件應(yīng)力分析法是用于詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的一種預(yù)計(jì)方法。 在這個(gè)階段，所使用的元件規(guī)格、 數(shù)量、 工作應(yīng)力和環(huán)境、 質(zhì)量系數(shù)等應(yīng)該是已知的，或者根據(jù)硬件定義可以確定的， 當(dāng)使用相同元件時(shí)，對(duì)它們的失效率因子所做的假設(shè)應(yīng)該是相同的和正確的。 在實(shí)際或模擬使用條件下進(jìn)行魯棒性測(cè)量之前，元件應(yīng)力分析法是最精確的可靠性預(yù)計(jì)方法。

物理應(yīng)力分析是評(píng)估電子組件可靠性的一個(gè)重要方面。它涉及評(píng)估設(shè)備的物理封裝， 以確保其能夠保持結(jié)構(gòu)完整性、 電路互連完整性， 并為電子電路可靠運(yùn)行提供合適的環(huán)境。

注：本文節(jié)選自《汽車電子設(shè)計(jì)：魯棒性設(shè)計(jì)》，由機(jī)械工業(yè)出版社出版

本書特別適合汽車電子工程師、可靠性專家、零部件供應(yīng)商技術(shù)團(tuán)隊(duì)及高校師生使用。無(wú)論是新能源三電系統(tǒng)開發(fā)、智能駕駛域控制器設(shè)計(jì)，還是車規(guī)芯片選型，都能從中獲得直接可用的技術(shù)工具——如繼電器觸點(diǎn)匹配表、HALT測(cè)試方案模板、參數(shù)趨勢(shì)灰色預(yù)測(cè)模型等。隨書附贈(zèng)《汽車電子失效模式速查手冊(cè)》電子版，大幅提升工程問題排查效率。

《汽車電子設(shè)計(jì)：魯棒性設(shè)計(jì)》目錄

第1章　失效物理場(chǎng)分析 1

1.1　概述 2

1.1.1　失效物理場(chǎng)的定義和基本原理 2

1.1.2　失效物理場(chǎng)與電子組件魯棒性的關(guān)系 3

1.1.3　失效物理場(chǎng)的分類和常見類型 4

1.1.4　失效的影響 5

1.1.5　失效物理場(chǎng)分析的重要性 6

1.1.6　失效物理場(chǎng)分析的收益 7

1.2　失效物理場(chǎng)的測(cè)試方法和技術(shù) 8

1.2.1　加速測(cè)試與魯棒性測(cè)試 8

1.2.2　失效物理場(chǎng)的模擬與建模技術(shù) 9

1.2.3　監(jiān)測(cè)與分析失效物理場(chǎng)的工具和技術(shù) 10

1.2.4　失效物理場(chǎng)的分析方法和流程 10

1.3　電子組件失效的物理機(jī)制 11

1.3.1　電學(xué)失效 12

1.3.2　熱學(xué)失效 13

1.3.3　機(jī)械失效 14

1.3.4　化學(xué)失效 15

1.4　電子元件失效的環(huán)境相關(guān)性分析 18

1.4.1　溫度環(huán)境 19

1.4.2　濕度 19

1.4.3　氧化和氧環(huán)境 21

1.4.4　輻射和電磁干擾 22

1.4.5　振動(dòng)和機(jī)械應(yīng)力 22

1.5　失效物理場(chǎng)的模型與預(yù)測(cè) 23

1.5.1　失效物理場(chǎng)的建模 23

1.5.2　失效物理場(chǎng)庫(kù) 24

1.5.3　失效物理場(chǎng)的預(yù)測(cè) 24

1.5.4　魯棒性評(píng)估與設(shè)計(jì)優(yōu)化 25

1.6　失效物理場(chǎng)的應(yīng)用和控制策略 26

1.6.1　應(yīng)用領(lǐng)域 26

1.6.2　控制策略 27

1.7　失效物理場(chǎng)研究的應(yīng)用 28

1.7.1　失效物理場(chǎng)研究在電子組件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 28

1.7.2　失效物理場(chǎng)研究在魯棒性評(píng)估與改進(jìn)中的應(yīng)用 29

1.7.3　失效物理場(chǎng)研究在電子制造與維修中的應(yīng)用 30

1.7.4　失效物理場(chǎng)的控制策略與工程實(shí)踐 31

1.8　失效物理場(chǎng)分析示例 32

1.8.1　電阻器失效 33

1.8.2　失效模式占失效總比例表 34

1.8.3　失效模式機(jī)理分析 35

1.9　PCB 電子組件故障 40

1.9.1　PCB 電子組件故障的6 種類型 40

1.9.2　電子組件故障的分析 41

1.10　常見的電子組件故障 41

1.10.1　機(jī)械故障 42

1.10.2　熱故障 47

1.10.3　環(huán)境故障 47

1.10.4　電應(yīng)力故障 48

1.10.5　封裝故障 52

1.10.6　老化故障 52

1.11　確定元件故障的方法 53

1.11.1　可焊性測(cè)試 54

1.11.2　污染測(cè)試 55

1.11.3　微切片測(cè)試 56

1.11.4　自動(dòng)X射線檢測(cè)(AXI) 57

1.11.5　表面成像方法 58

第2 章　元件選型 60

2.1　元件選型過程 60

2.2　元件選型過程不佳的潛在問題 61

2.2.1　成本風(fēng)險(xiǎn) 62

2.2.2　可用性風(fēng)險(xiǎn) 62

2.2.3　不兼容風(fēng)險(xiǎn) 63

2.2.4　未知失效風(fēng)險(xiǎn) 63

2.3　元件選型對(duì)魯棒性的影響 64

2.4　新元件會(huì)為可靠的產(chǎn)品性能帶來(lái)一系列風(fēng)險(xiǎn) 66

2.5　元件選型方法 67

2.6　電阻器選型 67

2.6.1　電阻器選型考慮因素 68

2.6.2　電阻器選型步驟 70

2.6.3　電阻器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 70

2.7　電容器選型 73

2.7.1　電容器選型考慮因素 74

2.7.2　電容器選型步驟 75

2.7.3　電容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 76

2.8　變壓器和電感器選型 77

2.8.1　電感器選型 79

2.8.2　變壓器選型 80

2.8.3　電感器和變壓器選型步驟 81

2.9　繼電器設(shè)計(jì) 82

2.9.1　繼電器的技術(shù)參數(shù)和選型考慮因素 82

2.9.2　繼電器的選型步驟 83

2.9.3　繼電器的選型準(zhǔn)則 83

2.9.4　繼電器使用檢查清單 84

2.9.5　繼電器的設(shè)計(jì)方法 86

2.10　開關(guān)設(shè)計(jì) 89

2.10.1　開關(guān)的選型考慮因素 90

2.10.2　開關(guān)的選型步驟 93

2.10.3　開關(guān)的選型準(zhǔn)則 93

2.11　晶體和振蕩器設(shè)計(jì) 94

2.11.1　晶體和振蕩器的選型考慮因素 95

2.11.2　晶體和振蕩器的選型步驟 95

2.11.3　晶體和振蕩器的選型準(zhǔn)則 96

2.12　光隔離器設(shè)計(jì) 96

2.12.1　光隔離器的選型考慮因素 97

2.12.2　光隔離器的選型步驟 98

2.12.3　光隔離器的選型準(zhǔn)則 98

2.13　斷路器和熔斷器設(shè)計(jì) 99

2.13.1　斷路器和熔斷器的選型考慮因素 99

2.13.2　斷路器和熔斷器的選型步驟 100

2.13.3　斷路器和熔斷器的選型準(zhǔn)則 101

2.14　插接器設(shè)計(jì) 102

2.14.1　插接器的選型考慮因素 102

2.14.2　插接器的選型步驟 103

2.14.3　插接器的選型準(zhǔn)則 104

2.15　二極管設(shè)計(jì) 104

2.15.1　二極管的選型考慮因素 105

2.15.2　二極管的選型步驟 105

2.15.3　二極管的選型準(zhǔn)則 106

2.16　晶體管設(shè)計(jì) 108

2.16.1　晶體管的選型考慮因素 109

2.16.2　晶體管的選型步驟 110

2.16.3　晶體管的選型準(zhǔn)則 111

2.17　單片微電路和混合微電路設(shè)計(jì) 112

2.17.1　單片微電路和混合微電路的選型考慮因素 112

2.17.2　單片微電路和混合微電路的選型步驟 113

2.17.3　單片微電路和混合微電路的選型準(zhǔn)則 113

第3 章　應(yīng)力分析 116

3.1　應(yīng)力與強(qiáng)度概念 117

3.1.1　PSA 的定義和概述 118

3.1.2　PSA 的方法和步驟 119

3.1.3　PSA 的關(guān)鍵參數(shù)和指標(biāo) 119

3.1.4　理想的應(yīng)力與強(qiáng)度關(guān)系 119

3.1.5　實(shí)際的應(yīng)力與強(qiáng)度關(guān)系 120

3.1.6　應(yīng)力曲線和強(qiáng)度曲線分析方法 121

3.1.7　時(shí)間的影響 122

3.1.8　PSA 流程 123

3.2　應(yīng)力與強(qiáng)度分析 124

3.2.1　應(yīng)力與強(qiáng)度正態(tài)假設(shè) 124

3.2.2　符號(hào) 125

3.2.3　三種情況 125

3.2.4　兩個(gè)正態(tài)分布 128

3.2.5　計(jì)算示例 129

3.3　應(yīng)力類型 130

3.3.1　機(jī)械應(yīng)力分析 130

3.3.2　熱應(yīng)力分析 131

3.3.3　電應(yīng)力分析 132

3.3.4　化學(xué)應(yīng)力分析 134

3.3.5　環(huán)境應(yīng)力分析 134

3.4　環(huán)境和使用因素 135

3.4.1　使用因素的類型 137

3.4.2　產(chǎn)品的任務(wù)剖面 138

3.4.3　應(yīng)力與故障機(jī)制的關(guān)聯(lián) 141

3.5　應(yīng)力和使用因素的表征 142

3.5.1　列表 143

3.5.2　表征 143

3.5.3　注意事項(xiàng) 144

3.6　應(yīng)力比 145

3.6.1　質(zhì)量信息 146

3.6.2　應(yīng)力比 147

3.6.3　示例 147

3.6.4　不同的應(yīng)力類型導(dǎo)致的失效 148

3.7　應(yīng)力分析的應(yīng)用 149

3.7.1　應(yīng)力分析在元件選型和評(píng)估中的應(yīng)用 149

3.7.2　應(yīng)力分析在電路板布局和設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 149

3.7.3　應(yīng)力分析在封裝和連接技術(shù)中的應(yīng)用 150

3.8　PSA 與魯棒性設(shè)計(jì)的關(guān)系 152

3.8.1　PSA 在魯棒性設(shè)計(jì)中的作用與意義 152

3.8.2　PSA 與魯棒性評(píng)估方法的結(jié)合 152

3.8.3　PSA 與故障分析和預(yù)測(cè)的關(guān)聯(lián) 152

3.9　實(shí)例研究與案例分析 152

3.9.1　電阻器的應(yīng)力分析示例 152

3.9.2　電容器的應(yīng)力分析示例 153

3.9.3　晶體管的應(yīng)力分析示例 154

3.10　PSA 工具與技術(shù) 154

3.10.1　應(yīng)力測(cè)試與分析設(shè)備 154

3.10.2　應(yīng)力仿真與模擬軟件 154

3.10.3　應(yīng)力測(cè)量方法與技術(shù) 155

第4 章　參數(shù)趨勢(shì)分析 156

4.1　概述 156

4.1.1　參數(shù)趨勢(shì)分析的定義 157

4.1.2　參數(shù)趨勢(shì)分析的作用 158

4.1.3　PTA 和WCCA 的比較 158

4.2　開發(fā)元件特性數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)鍵步驟 159

4.2.1　參考數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)源 160

4.2.2　元件參數(shù)趨勢(shì)分析 160

4.2.3　元件參數(shù)趨勢(shì)量化 161

4.3　參數(shù)趨勢(shì)分析過程 162

4.3.1　確定分析方法 163

4.3.2　獲取數(shù)據(jù) 163

4.3.3　分析計(jì)劃 164

4.3.4　執(zhí)行參數(shù)分析 165

4.3.5　記錄結(jié)果 165

4.4　參數(shù)趨勢(shì)分析方法 166

4.5　電容最小值和最大值的計(jì)算 167

4.6　元件參數(shù)可變性 167

4.7　數(shù)值方法 170

4.8　電子元件參數(shù)變化趨勢(shì)分析的應(yīng)用案例 171

4.8.1　電阻元件參數(shù)變化趨勢(shì)分析 171

4.8.2　電容元件參數(shù)變化趨勢(shì)分析 171

4.8.3　晶體管元件參數(shù)變化趨勢(shì)分析 173

4.8.4　LDO 元件的參數(shù)變化趨勢(shì)分析 177

第5 章　降額設(shè)計(jì) 179

5.1　定義 180

5.1.1　降額 181

5.1.2　降額方法 182

5.1.3　術(shù)語(yǔ) 183

5.1.4　最大推薦工作條件 184

5.1.5　絕對(duì)最大額定值 184

5.2　計(jì)算條件 185

5.2.1　最壞情況的預(yù)期條件 186

5.2.2　溫度降額系數(shù) 187

5.3　降額等級(jí)的劃分 188

5.3.1?、窦?jí)降額 189

5.3.2　Ⅱ級(jí)降額 191

5.3.3?、蠹?jí)降額 193

5.4　降額規(guī)則 195

5.4.1　電阻降額規(guī)則 195

5.4.2　電容降額規(guī)則 196

5.4.3　電感與變壓器降額規(guī)則 198

5.4.4　晶體管降額規(guī)則 199

5.4.5　二極管降額規(guī)則 200

5.4.6　集成芯片降額規(guī)則 201

5.4.7　光電元件降額規(guī)則 203

5.4.8　開關(guān)降額規(guī)則 203

5.4.9　繼電器降額規(guī)則 204

5.4.10　插接器降額規(guī)則 206

5.4.11　PCB 降額規(guī)則 206

5.4.12　振蕩器和諧振器降額規(guī)則 207

5.4.13　電位器降額規(guī)則 208

5.4.14　光學(xué)元件降額規(guī)則 209

5.4.15　導(dǎo)線與電纜降額規(guī)則 210

5.4.16　電機(jī)降額規(guī)則 211

5.4.17　燈泡降額規(guī)則 211

5.4.18　斷路器和熔斷器降額規(guī)則 213

5.4.19　微波管降額規(guī)則 214

5.5　降額參考資源 215

5.6　降額過程 216

5.7　降額使用方法 217

5.8　降額和魯棒性 218

5.9　考慮降額指南的不同方式 219

5.9.1　供應(yīng)商降額指南 220

5.9.2　行業(yè)降額指南 220

5.9.3　過降額或欠降額的影響 221

5.9.4　電壓與失效時(shí)間的關(guān)系 221

5.9.5　另一種繪制降額信息的方法 222

5.10　總結(jié) 224

第6 章　最壞情況電路分析 225

6.1　概述 225

6.1.1　最壞情況電路分析的目的 226

6.1.2　最壞情況電路分析的時(shí)機(jī) 227

6.1.3　最壞情況電路分析的程度 227

6.1.4　誰(shuí)應(yīng)該進(jìn)行最壞情況電路分析/評(píng)審 228

6.1.5　利用最壞情況電路分析進(jìn)行故障分析 228

6.1.6　最壞情況電路分析的降本增效 229

6.1.7　最壞情況電路分析的成本和進(jìn)度安排 230

6.1.8　常發(fā)問題位置及因素 230

6.1.9　電氣測(cè)試方法和限制 231

6.1.10　進(jìn)行最壞情況電路分析的能力要求 232

6.2　WCCA 方法論 233

6.2.1　分析方法 233

6.2.2　靈敏度分析 234

6.2.3　參數(shù)EVA、RSS、MCA 分析 235

6.2.4　方法和模板 235

6.2.5　公差數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)置 236

6.2.6　確定關(guān)鍵參數(shù) 237

6.2.7　處理定義不明確的公差 237

6.2.8　RSS 計(jì)算和應(yīng)用 238

6.2.9　WCCA 示例: 三端穩(wěn)壓器 239

6.2.10　關(guān)聯(lián)硬件WCCA 結(jié)果 243

6.3　最壞情況電路分析的對(duì)象與范圍 244

6.3.1　最壞情況電路分析的對(duì)象 244

6.3.2　最壞情況電路分析的范圍 244

6.3.3　最壞情況電路分析的層級(jí) 245

6.4　最壞情況電路分析的設(shè)計(jì)流程 246

6.4.1　最壞情況電路分析準(zhǔn)備工作 246

6.4.2　關(guān)鍵電路識(shí)別工具 248

6.4.3　確定待分析電路 249

6.4.4　明確電路設(shè)計(jì)的基本參數(shù) 249

6.4.5　電路分割 250

6.4.6　最壞情況電路分析的作用 250

6.4.7　分析結(jié)果判別 251

6.5　WCCA 分析方法比較 251

6.6　最壞情況電路分析的前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作 252

6.7　建立分析模型 253

6.8　出具最壞情況電路分析報(bào)告 254

電子組件的物理封裝包括機(jī)械支持、電氣連接、電源管理、熱管理和環(huán)境管理等各個(gè)方面。這些功能對(duì)于保護(hù)電子元件并確保其正常運(yùn)行至關(guān)重要。

通過采用可靠性物理和失效原理，可以分析評(píng)估設(shè)計(jì)承受其將遇到的工作應(yīng)力的能力。 這種分析性評(píng)估將電子封裝從主觀藝術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)榭陀^科學(xué)。

應(yīng)力是使用和環(huán)境負(fù)荷對(duì)設(shè)備及其材料的影響。當(dāng)負(fù)荷施加到設(shè)備上或在設(shè)備內(nèi)產(chǎn)生時(shí)， 它會(huì)導(dǎo)致設(shè)備材料和結(jié)構(gòu)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)或應(yīng)力分布。這種分布平衡了施加的力。

設(shè)備所經(jīng)歷的應(yīng)變量受其尺寸、 形狀和材料特性的影響，這些特性決定了其強(qiáng)度。 彈性、屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度等材料特性是決定設(shè)備如何響應(yīng)應(yīng)力的重要因素。

物理應(yīng)力的分析評(píng)估涉及評(píng)估設(shè)備結(jié)構(gòu)中使用的材料的機(jī)械和熱性能。這包括分析材料強(qiáng)度、抗疲勞性、熱膨脹和散熱能力等因素。

通過進(jìn)行這些分析評(píng)估，可以識(shí)別物理封裝設(shè)計(jì)中的潛在弱點(diǎn)或關(guān)注領(lǐng)域，如圖3-1所示。這允許實(shí)施設(shè)計(jì)改進(jìn)或修改，以確保設(shè)備能夠承受預(yù)期的工作應(yīng)力， 并在其預(yù)期的使用壽命內(nèi)保持其可靠性。

在評(píng)估電子組件的可靠性時(shí)，重要的是要考慮設(shè)備應(yīng)力的可能結(jié)果。這些結(jié)果可能會(huì)影響設(shè)備的性能和使用壽命， 必須考慮這些結(jié)果才能獲得可靠的產(chǎn)品。

圖3-1電子組件應(yīng)力源無(wú)關(guān)緊要的應(yīng)變：在某些情況下，施加應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變可以忽略不計(jì)，并且對(duì)設(shè)備沒有顯著影響。 這是所需的狀態(tài)， 因?yàn)檫@意味著設(shè)備可以承受應(yīng)力而不會(huì)產(chǎn)生任何不利影響。

電氣特性變化： 應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致電氣特性的變化， 例如電阻和電容。 這可能導(dǎo)致應(yīng)力條件下電路性能發(fā)生變化。在不降低系統(tǒng)性能的情況下確定可以容忍的漂移量非常重要， 以確保元件能夠保持其預(yù)期功能。

過應(yīng)力失效：如果施加的應(yīng)力超過材料的屈服點(diǎn)，則可能會(huì)觸發(fā)失效機(jī)制，例如斷裂、屈曲、過度變形、熔化或其他熱事件。識(shí)別和評(píng)估這些故障機(jī)制以防止災(zāi)難性故障并確保設(shè)備的可靠性至關(guān)重要。

磨損失效： 當(dāng)設(shè)備受到穩(wěn)定應(yīng)力或一系列應(yīng)力循環(huán)時(shí)，材料內(nèi)可能會(huì)發(fā)生增量損壞累積。 這種逐漸的分子分解會(huì)導(dǎo)致磨損失效機(jī)制， 如疲勞、 分層、蠕變、 腐蝕等。確定在發(fā)生磨損故障之前保持所需性能的耐久性時(shí)間段對(duì)于確保設(shè)備的可靠性和使用壽命至關(guān)重要。

為了解決這些潛在的結(jié)果， 可以采用耐久性和可靠性建模技術(shù)。這些技術(shù)包括評(píng)估設(shè)備承受應(yīng)力的能力， 預(yù)測(cè)其使用壽命，并確定提高可靠性可能需要的任何設(shè)計(jì)或材料更改。

通過考慮這些潛在結(jié)果并采用適當(dāng)?shù)姆治龊徒＜夹g(shù)，設(shè)計(jì)師和工程師可以更好地了解和減輕應(yīng)力對(duì)電子組件的影響， 從而獲得更可靠的產(chǎn)品。

3.1應(yīng)力與強(qiáng)度概念

在工程中，應(yīng)力和強(qiáng)度的概念，不僅適用于機(jī)械材料，也適用于電子元件。電子元件在工作過程中會(huì)受到各種外部力的作用， 包括機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力和環(huán)境應(yīng)力等。 因此，了解和評(píng)估電子元件的應(yīng)力和強(qiáng)度是確保元件魯棒性和性能的重要因素。

首先，應(yīng)力與電子元件的機(jī)械魯棒性密切相關(guān)。機(jī)械應(yīng)力是指元件在組裝、安裝和運(yùn)輸過程中由于物理力量的作用而產(chǎn)生的應(yīng)力。機(jī)械應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致元件的物理?yè)p壞、焊點(diǎn)斷裂、引線脫落等問題。因此，在元件的設(shè)計(jì)和選擇過程中，需要考慮元件的機(jī)械魯棒性，并確保其能夠承受所受到的機(jī)械應(yīng)力。

其次， 熱應(yīng)力也是電子元件中常見的應(yīng)力源。電子元件在工作過程中會(huì)產(chǎn)生熱量， 而熱量會(huì)引起元件的膨脹和收縮， 從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。 熱應(yīng)力可能導(dǎo)致元件的材料疲勞、 焊點(diǎn)斷裂、 內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞等問題。 因此，在元件的設(shè)計(jì)和布局中， 需要考慮熱應(yīng)力的影響， 并采取適當(dāng)?shù)纳岽胧┖筒牧线x擇， 以確保元件能夠在合適的溫度范圍內(nèi)工作， 并抵抗熱應(yīng)力帶來(lái)的影響。

此外， 環(huán)境應(yīng)力也是電子元件需要考慮的因素之一。 環(huán)境應(yīng)力包括濕度、溫度變化、 振動(dòng)和沖擊等。 這些環(huán)境應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致元件的性能下降、 封裝破裂、 電氣連接松動(dòng)等問題。 因此， 在元件的設(shè)計(jì)和選擇中，需要考慮元件所處的工作環(huán)境， 并選擇適用的元件封裝和材料，以確保元件能夠在相應(yīng)的環(huán)境應(yīng)力下正常工作。

在電子元件的設(shè)計(jì)和制造過程中， 需要進(jìn)行應(yīng)力和強(qiáng)度的分析和測(cè)試，以確保元件能夠在各種應(yīng)力條件下保持良好的性能和魯棒性。 通過合理的設(shè)計(jì)、可靠的制造和適當(dāng)?shù)臏y(cè)試， 可以提高電子元件的應(yīng)力容忍度和強(qiáng)度，從而提高電子組件的穩(wěn)定性和魯棒性。

3.1.1 PSA的定義和概述

元件應(yīng)力分析（PartStressAnaIysis，PSA）是一種系統(tǒng)化的方法，用于評(píng)估和分析電子元件在實(shí)際工作條件下的應(yīng)力水平。 它旨在識(shí)別元件的應(yīng)力容限，預(yù)測(cè)元件的魯棒性， 并為設(shè)計(jì)和制造團(tuán)隊(duì)提供應(yīng)力優(yōu)化和改進(jìn)的方向。

在元件應(yīng)力分析中， 首先需要了解元件的物理特性和工作環(huán)境。這可以包括元件的材料性質(zhì)、 尺寸、 結(jié)構(gòu)等方面的信息， 以及元件所處的溫度、 濕度、振動(dòng)等工作環(huán)境條件。 通過收集和分析這些信息，可以確定元件在工作過程中所受到的應(yīng)力來(lái)源。

然后，使用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試等方法來(lái)評(píng)估元件在實(shí)際工作條件下的應(yīng)力水平。數(shù)值模擬可以通過建立元件的有限元模型，考慮工作環(huán)境和負(fù)荷條件，來(lái)模擬元件的應(yīng)力分布和變形情況。 實(shí)驗(yàn)測(cè)試可以通過應(yīng)力傳感器、應(yīng)變計(jì)等工具， 直接測(cè)量元件在工作過程中所受到的應(yīng)力。

基于應(yīng)力分析的結(jié)果， 可以確定元件的應(yīng)力容限。應(yīng)力容限是指元件能夠承受的最大應(yīng)力水平， 超過該容限可能導(dǎo)致元件的失效或性能降低。通過對(duì)元件的應(yīng)力容限進(jìn)行評(píng)估， 可以判斷元件在實(shí)際工作條件下的可靠性和魯棒性。

最后， 根據(jù)應(yīng)力分析的結(jié)果， 可以提出應(yīng)力優(yōu)化和改進(jìn)的方向。 例如，可以通過改變?cè)牟牧稀?nbsp;尺寸、 結(jié)構(gòu)等方面的設(shè)計(jì)， 來(lái)減少元件的應(yīng)力集中和應(yīng)力水平， 提高元件的魯棒性和可靠性。 此外， 還可以通過改進(jìn)元件的制造工藝和組裝方式， 來(lái)減少應(yīng)力引入和應(yīng)力集中的可能性。

3.1.2 PSA的方法和步驟

PSA通常包括以下步驟：

1）元件特性分析：首先，對(duì)要進(jìn)行PSA的元件進(jìn)行特性分析，包括電氣特性、 材料屬性和幾何結(jié)構(gòu)等。 這些信息是應(yīng)力分析的基礎(chǔ)。

2）應(yīng)力源分析：PSA需要識(shí)別和分析元件所受的應(yīng)力源。這包括內(nèi)部應(yīng)力源 （例如電流、 熱量）和外部應(yīng)力源（例如機(jī)械負(fù)荷、溫度變化）。對(duì)應(yīng)力源進(jìn)行定量和定性分析， 以了解其對(duì)元件的應(yīng)力影響。

3）應(yīng)力分析和建模： 基于元件的特性和應(yīng)力源的分析，進(jìn)行應(yīng)力分析和建模。這可以使用各種工程工具和軟件進(jìn)行，例如有限元分析（FEA）或計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）等。

4）應(yīng)力預(yù)測(cè)和壽命評(píng)估： 根據(jù)應(yīng)力分析的結(jié)果，進(jìn)行應(yīng)力預(yù)測(cè)和壽命評(píng)估。 這可以通過應(yīng)力應(yīng)壽命模型、 可靠性預(yù)測(cè)方法和測(cè)試驗(yàn)證等來(lái)完成。

5）優(yōu)化和改進(jìn)措施：根據(jù)應(yīng)力預(yù)測(cè)和壽命評(píng)估的結(jié)果，提出優(yōu)化和改進(jìn)措施， 包括設(shè)計(jì)優(yōu)化、 材料選擇、 工藝改進(jìn)等，以減少元件的應(yīng)力水平，提高其魯棒性和性能。

3.1.3 PSA的關(guān)鍵參數(shù)和指標(biāo)

參數(shù)和指標(biāo)用于評(píng)估和量化元件的應(yīng)力水平和魯棒性。一些常見的關(guān)鍵參數(shù)和指標(biāo)包括：

1）應(yīng)力水平：用于表示元件所受應(yīng)力的大小?？梢愿鶕?jù)不同應(yīng)力源和應(yīng)力類型來(lái)確定應(yīng)力水平。

2）應(yīng)力容限：表示元件能夠承受的最大應(yīng)力水平。應(yīng)力容限是根據(jù)元件的設(shè)計(jì)和材料特性確定的。

3）魯棒性指標(biāo)： 用于評(píng)估元件的魯棒性水平， 例如故障率、 可靠性指數(shù)等。 這些指標(biāo)可以根據(jù)應(yīng)力分析結(jié)果和魯棒性模型進(jìn)行計(jì)算和預(yù)測(cè)。

3.1.4 理想的應(yīng)力與強(qiáng)度關(guān)系

理想情況下， 元件的應(yīng)力應(yīng)該遠(yuǎn)低于其強(qiáng)度， 如圖 3應(yīng)。 所示， 這意味著元件由于應(yīng)力過大而導(dǎo)致失效的可能性很小。 然而， 在實(shí)際設(shè)計(jì)中， 完全表征產(chǎn)品每個(gè)元件的所有應(yīng)力和所有強(qiáng)度通常是非常困難的， 很少有設(shè)計(jì)能夠達(dá)到這種程度。

圖 3-2 理想的應(yīng)力與強(qiáng)度關(guān)系

在設(shè)計(jì)過程中，為了確保元件的安全可靠性，通常會(huì)考慮一系列設(shè)計(jì)原則和方法，包括以下幾項(xiàng)：

經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)： 根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，制定適用于特定應(yīng)用的設(shè)計(jì)規(guī)范和要求。 這些規(guī)范和要求可以指導(dǎo)工程師選擇合適的元件和材料，以及進(jìn)行必要的應(yīng)力分析和測(cè)試。

模擬和仿真：通過使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和有限元分析（FEA）等工具， 可以對(duì)元件進(jìn)行模擬和仿真， 以評(píng)估其在不同應(yīng)力條件下的性能。 這可以幫助設(shè)計(jì)師優(yōu)化元件的結(jié)構(gòu)和材料選擇， 并預(yù)測(cè)元件的應(yīng)力水平。

實(shí)驗(yàn)和測(cè)試： 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和測(cè)試是驗(yàn)證設(shè)計(jì)的重要手段。通過對(duì)元件進(jìn)行負(fù)載測(cè)試、振動(dòng)測(cè)試和溫度測(cè)試等，可以驗(yàn)證元件在實(shí)際工作條件下的應(yīng)力水平，并檢驗(yàn)其可靠性。

盡管存在這些設(shè)計(jì)原則和方法，但完全表征產(chǎn)品每個(gè)元件的所有應(yīng)力和所有強(qiáng)度通常是不現(xiàn)實(shí)的。 這是因?yàn)樵膽?yīng)力受到多種因素的影響，包括使用環(huán)境、 運(yùn)行條件和外部負(fù)荷等， 難以完全預(yù)測(cè)和模擬。

此外， 盡管元件的強(qiáng)度通常有標(biāo)準(zhǔn)值可供參考，但元件的實(shí)際強(qiáng)度可能會(huì)存在一定的偏差和不確定性。 這可能是由于制造過程中的變異、材料性能的差異或設(shè)計(jì)原則的限制等因素引起的。

3.1.5 實(shí)際的應(yīng)力與強(qiáng)度關(guān)系

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，工程師通常會(huì)采用一系列風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和容差設(shè)計(jì)的方法來(lái)處理這些不確定性。 這包括引入安全系數(shù)、 使用可靠的材料和制造過程、 進(jìn)行充分的測(cè)試和驗(yàn)證等， 以確保元件在實(shí)際使用中具有足夠的安全余量。

在設(shè)計(jì)中完全表征產(chǎn)品每個(gè)元件的所有應(yīng)力和所有強(qiáng)度往往是困難的，但通過合理的設(shè)計(jì)原則、 模擬和測(cè)試方法，可以最大限度地確保元件的安全可靠性。 同時(shí)， 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和容差設(shè)計(jì)也是必不可少的， 以處理不確定性和保證系統(tǒng)的性能和可靠性。

在實(shí)踐中， 為了處理復(fù)雜的設(shè)計(jì)問題， 通常會(huì)縮小關(guān)鍵元件的列表， 并對(duì)這些元件執(zhí)行應(yīng)力和強(qiáng)度計(jì)算。 然而， 在某些情況下， 某些元件可能會(huì)承受高于其生存能力的應(yīng)力水平。 為了評(píng)估元件失效的概率，研究人員可以考慮兩條曲線之間的交點(diǎn)，這些曲線分別代表元件的應(yīng)力分布和強(qiáng)度分布，如圖所示。

通過計(jì)算這兩條曲線之間的面積，研究人員可以得到應(yīng)力高于強(qiáng)度的概率。這個(gè)概率可以用一個(gè)二重積分來(lái)定義。 在這個(gè)積分中，研究人員考慮的是應(yīng)力分布和強(qiáng)度分布之間的重疊區(qū)域。

圖3-3實(shí)際的應(yīng)力與強(qiáng)度關(guān)系

如果研究人員將這個(gè)重疊的區(qū)域想象成一個(gè)曲線下面積，它可能是一個(gè)小的正態(tài)曲線。 這是因?yàn)閼?yīng)力和強(qiáng)度通常都服從正態(tài)分布。 在這種情況下， 研究人員可以使用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的概率密度函數(shù)來(lái)計(jì)算該曲線下的面積，從而得到應(yīng)力高于強(qiáng)度的概率。

這種方法可以幫助工程師評(píng)估元件的可靠性和壽命，并做出相應(yīng)的設(shè)計(jì)決策。 通過考慮應(yīng)力和強(qiáng)度之間的差距， 研究人員可以識(shí)別潛在的失效點(diǎn)， 并采取措施來(lái)降低失效的概率， 例如選擇強(qiáng)度更高的元件、改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或增加安全系數(shù)。

3.1.6應(yīng)力曲線和強(qiáng)度曲線分析方法

1、統(tǒng)計(jì)分析方法

通常情況下，應(yīng)力曲線和強(qiáng)度曲線是未知的，研究人員需要通過實(shí)驗(yàn)和測(cè)試來(lái)獲取這些數(shù)據(jù)。 然而， 在許多情況下， 只需稍加努力，研究人員就可以收集足夠的數(shù)據(jù)來(lái)繪制應(yīng)力和強(qiáng)度的直方圖， 并以直觀的方式評(píng)估它們之間的邊距。

通過收集足夠的樣本數(shù)據(jù)， 研究人員可以將這些數(shù)據(jù)繪制成直方圖，從而得到應(yīng)力和強(qiáng)度的分布情況。 這些直方圖可以顯示數(shù)據(jù)的分布形狀、均值和標(biāo)準(zhǔn)差等重要統(tǒng)計(jì)信息。

通過觀察直方圖， 研究人員可以直觀地檢查應(yīng)力和強(qiáng)度之間的邊距。如果兩個(gè)分布之間有足夠的邊距， 即強(qiáng)度分布明顯高于應(yīng)力分布，那么元件的可靠性可能會(huì)更高。 反之， 如果兩個(gè)分布之間的邊距很小， 即強(qiáng)度分布接近或重疊于應(yīng)力分布， 那么元件的可靠性可能會(huì)較低。

然而， 僅僅通過直方圖進(jìn)行觀察可能無(wú)法提供準(zhǔn)確的概率估計(jì)。在這種情況下， 研究人員可以使用統(tǒng)計(jì)工具來(lái)進(jìn)行更深入的分析。 例如， 研究人員可以使用概率密度函數(shù)、分布擬合和統(tǒng)計(jì)模型來(lái)估計(jì)應(yīng)用于低強(qiáng)度項(xiàng)目的強(qiáng)度概率。

通過使用這些統(tǒng)計(jì)工具， 研究人員可以更精確地計(jì)算強(qiáng)度應(yīng)用于低應(yīng)力項(xiàng)的概率。 這可以幫助工程師更好地評(píng)估元件的可靠性，并采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)降低失效的概率。

2.工程分析方法

在實(shí)際應(yīng)用中， 除了使用統(tǒng)計(jì)工具來(lái)評(píng)估元件的可靠性外， 研究人員還可以采用一系列工程方法來(lái)隔離可能需要詳細(xì)應(yīng)力和強(qiáng)度分析的元件。 這些方法包括工程判斷、設(shè)計(jì)FMEA（失效模式與影響分析）、HALT（加速壽命測(cè)試）和原型失效等。

工程判斷是基于工程師的經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)進(jìn)行的決策過程。通過對(duì)設(shè)計(jì)的各個(gè)方面進(jìn)行綜合評(píng)估， 工程師可以識(shí)別出潛在的風(fēng)險(xiǎn)和問題，并將重點(diǎn)放在可能需要進(jìn)一步分析的元件上。

設(shè)計(jì)FMEA是一種系統(tǒng)的方法， 用于識(shí)別和評(píng)估設(shè)計(jì)中的潛在失效模式及其可能的影響。 通過對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行細(xì)致的分析， 包括元件的應(yīng)力和強(qiáng)度特性， 研究人員可以確定哪些元件可能需要進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力和強(qiáng)度分析。

HALT是一種加速壽命測(cè)試方法，旨在模擬產(chǎn)品在實(shí)際使用中可能遇到的應(yīng)力。 通過對(duì)元件在加速條件下進(jìn)行測(cè)試，研究人員可以識(shí)別出潛在的失效模式，并進(jìn)一步評(píng)估其強(qiáng)度和可靠性。

原型失效是通過制造和測(cè)試原型來(lái)觀察和記錄元件的失效情況。通過對(duì)失效進(jìn)行分析， 研究人員可以識(shí)別可能需要進(jìn)一步進(jìn)行應(yīng)力和強(qiáng)度分析的元件，并確定適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)改進(jìn)措施。

即使在沒有足夠數(shù)據(jù)來(lái)繪制應(yīng)力曲線和強(qiáng)度曲線的情況下，這些方法仍然適用于做出設(shè)計(jì)決策。設(shè)計(jì)或降額指南和最佳實(shí)踐可以幫助團(tuán)隊(duì)在初始設(shè)計(jì)階段為元件提供足夠的設(shè)計(jì)余量。這些指南和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可以幫助工程師在設(shè)計(jì)過程中做出合理的假設(shè)并采取相應(yīng)的措施， 以確保元件能夠滿足要求，并具有良好的可靠性。

3.1.7 時(shí)間的影響

在實(shí)際應(yīng)用中，材料的降解、蠕變或變脆是導(dǎo)致產(chǎn)品失效的常見原因之一。這些因素可以導(dǎo)致金屬生銹、 觸點(diǎn)腐蝕、 PN結(jié)邊界模糊等問題。

當(dāng)產(chǎn)品開始投入使用時(shí)， 它可能在理想的應(yīng)力范圍內(nèi)運(yùn)行，但隨著時(shí)間的推移， 應(yīng)力可能會(huì)超過材料的承受能力， 導(dǎo)致失效。 強(qiáng)度曲線可以簡(jiǎn)單地向應(yīng)力曲線移動(dòng)， 或者它可能會(huì)擴(kuò)大曲線的傳播。 無(wú)論是哪種情況， 都會(huì)增加發(fā)生失效的概率。

此外， 應(yīng)力曲線并不是靜態(tài)的。 產(chǎn)品在使用過程中會(huì)不斷暴露在更惡劣、更苛刻的環(huán)境中， 這可能導(dǎo)致應(yīng)力曲線的變化。 例如， 產(chǎn)品可能在高溫、高濕度或腐蝕性環(huán)境中運(yùn)行， 這會(huì)增加材料的應(yīng)力并加速失效的可能性。

因此，研究人員需要意識(shí)到產(chǎn)品的可靠性不僅僅取決于初始設(shè)計(jì)時(shí)的應(yīng)力和強(qiáng)度關(guān)系， 還取決于產(chǎn)品在實(shí)際環(huán)境中的應(yīng)力和材料的耐久性。為了最大限度地提高產(chǎn)品的可靠性， 研究人員需要考慮這些因素，并在設(shè)計(jì)和工程決策中加以考慮。

3.1.8 PSA流程

元件應(yīng)力分析（PSA）的一般流程如圖3-4所示。首先，工程師需要了解產(chǎn)品和組成電路所安裝的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用范圍。 在組織內(nèi)， 根據(jù)以往產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，將其納入分析中進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。 使用各種數(shù)值方法， 結(jié)合電路模擬工具， 進(jìn)行開發(fā)性能規(guī)格與模型行為之間的比較。 如果需要修改， 將進(jìn)行回歸分析。 只有當(dāng)設(shè)計(jì)余量足夠時(shí)， 電路才會(huì)被實(shí)施。

圖3-4 元件應(yīng)力分析（PSA）流程

在進(jìn)行PSA時(shí)，首先，工程師需要了解產(chǎn)品和組成電路的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用范圍。這可以幫助他們確定分析的重點(diǎn)和關(guān)注的性能指標(biāo)。 之后， 工程師會(huì)考慮以往產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)， 并將其納入分析中， 以避免重復(fù)的錯(cuò)誤或問題。

在分析過程中，工程師會(huì)使用各種數(shù)值方法和電路模擬工具來(lái)進(jìn)行開發(fā)性能規(guī)格和模型行為之間的比較。這可以幫助他們確定電路在不同工作條件下的性能范圍， 并了解可能的風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。

如果在比較中發(fā)現(xiàn)性能規(guī)格和模型行為之間存在差異或不符合要求，工程師就需要進(jìn)行修改。這可能涉及對(duì)電路參數(shù)或設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，以滿足性能規(guī)格。在進(jìn)行修改之前， 工程師還會(huì)進(jìn)行回歸分析。 這可以幫助他們確定所做的修改是否能夠改進(jìn)電路的性能，并確保設(shè)計(jì)余量充足。

最后， 在確保設(shè)計(jì)余量足夠的情況下， 工程師將實(shí)施電路。 這意味著他們已經(jīng)確定了最壞情況下的性能邊界，并且電路的設(shè)計(jì)可以在各種場(chǎng)景下正常工作。

內(nèi)容簡(jiǎn)介

本書以汽車電子硬件為背景，層層遞迚地引入失效物理場(chǎng)分析、元件選型、應(yīng)力分析、參數(shù)趨勢(shì)分析、降額設(shè)計(jì)和最壞情況電路分析等內(nèi)容。通過這些內(nèi)容，讀者將深入了解如何分析、預(yù)測(cè)和解決汽車電子系統(tǒng)中的故障和挑戰(zhàn)。在每個(gè)章節(jié)中，還加入了豐富的示例和案例研究，以幫助讀者更好地理解和應(yīng)用所學(xué)內(nèi)容。

本書適合對(duì)汽車電子硬件以及技術(shù)感興趣的讀者，無(wú)論是開發(fā)者、設(shè)計(jì)者、科研工作者還是剛?cè)腴T的技術(shù)人員，均可將本書作為學(xué)習(xí)參考用書。本書還適合有相關(guān)知識(shí)背景的從業(yè)人員迚行深入學(xué)習(xí)。

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作者簡(jiǎn)介：高宜國(guó)一位在汽車行業(yè)從業(yè)十多年的資深人士，涉足的領(lǐng)域包括汽車電子器件、汽車電子電路設(shè)計(jì)、汽車電子魯棒性設(shè)計(jì)（DFR）、汽車電子卓越設(shè)計(jì)（DFX）和汽車電子最壞情況電路分析（WCCA）。作者有個(gè)人公眾號(hào)汽車電子工程知識(shí)體系(AEEBOK)，在公眾號(hào)上將自己的經(jīng)驗(yàn)和見解整理成文章，內(nèi)容涵蓋了電子器件的選擇和應(yīng)用、電路設(shè)計(jì)的方法和技巧、測(cè)試和可靠性設(shè)計(jì)的知識(shí)點(diǎn)等。希望自己的公眾號(hào)能夠成為廣大汽車電子工程師和學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)和交流的平臺(tái) ，也希望能為汽車行業(yè)提供有價(jià)值的信息和指導(dǎo)。

本書由機(jī)械工業(yè)出版社出版，本文經(jīng)出版方授權(quán)發(fā)布。