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。

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。

3.7 應(yīng)力分析的應(yīng)用

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

在設(shè)計(jì)階段， 選擇合適的元件對(duì)電子產(chǎn)品的性能和魯棒性至關(guān)重要。通過應(yīng)力分析， 可以評(píng)估不同元件的應(yīng)力容限和魯棒性，以幫助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)選擇最合適的元件。 應(yīng)力分析可以預(yù)測(cè)元件在實(shí)際工作條件下的應(yīng)力水平，并比較不同元件的性能。 這有助于降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)， 提高產(chǎn)品的魯棒性和性能。

在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行應(yīng)力分析可以幫助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)識(shí)別元件的應(yīng)力容限，即元件能夠承受的最大應(yīng)力水平。 通過評(píng)估元件的應(yīng)力容限，可以確定哪些元件能夠在實(shí)際工作條件下穩(wěn)定運(yùn)行，而哪些元件可能會(huì)因?yàn)閼?yīng)力過大而導(dǎo)致故障或性能下降。對(duì)于關(guān)鍵的電子產(chǎn)品，選擇具有較高的應(yīng)力容限的元件是至關(guān)重要的，以確保產(chǎn)品的可靠性和長壽命。

應(yīng)力分析還可以比較不同元件的性能和魯棒性。通過預(yù)測(cè)元件在實(shí)際工作條件下的應(yīng)力水平， 可以對(duì)比不同元件之間的應(yīng)力分布和變形情況。這有助于設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)了解不同元件的應(yīng)力承受能力和穩(wěn)定性，并選擇最適合產(chǎn)品需求的元件。 例如， 在高溫環(huán)境下工作的電子產(chǎn)品中， 選擇具有較好熱穩(wěn)定性和耐高溫特性的元件可以提高產(chǎn)品的可靠性和性能。

通過應(yīng)力分析， 設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)并提高產(chǎn)品的魯棒性和性能。在設(shè)計(jì)階段選擇合適的元件， 可以避免因?yàn)樵?yīng)力過大而導(dǎo)致的故障和性能下降。此外， 合理選擇元件可以提高產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性， 減少維修和更換的需求。

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

電路板布局和設(shè)計(jì)對(duì)元件的應(yīng)力分布和傳遞起著重要作用。通過應(yīng)力分析，可以評(píng)估電路板上不同區(qū)域的應(yīng)力水平，并根據(jù)這些結(jié)果進(jìn)行布局和連接優(yōu)化。應(yīng)力分析可以幫助設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)避免應(yīng)力集中區(qū)域， 減少應(yīng)力對(duì)元件的影響，提高電路板的魯棒性和性能。 此外， 還可以通過應(yīng)力分析指導(dǎo)電路板材料的選擇，以滿足應(yīng)力容限的要求。

在電路板設(shè)計(jì)中， 應(yīng)力分析可以幫助確定元件的布局和連接方式，以減少應(yīng)力集中區(qū)域。 應(yīng)力集中可能會(huì)導(dǎo)致元件的應(yīng)力超過其容限，從而引起故障或性能下降。通過應(yīng)力分析，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以識(shí)別潛在的應(yīng)力集中區(qū)域，例如焊點(diǎn)、接插件或電路板的彎曲區(qū)域。 然后， 可以通過重新布局元件或優(yōu)化連接方式，將應(yīng)力更均勻地分布到整個(gè)電路板上， 減少應(yīng)力對(duì)元件的影響。

此外， 應(yīng)力分析還可以指導(dǎo)電路板材料的選擇。不同的材料具有不同的應(yīng)力容限和機(jī)械性能， 因此在選擇電路板材料時(shí)需要考慮應(yīng)力分析的結(jié)果。通過應(yīng)力分析， 可以確定元件在實(shí)際工作條件下可能受到的應(yīng)力水平，并選擇具有適當(dāng)應(yīng)力容限的材料。 這樣可以確保電路板在實(shí)際工作條件下能夠承受應(yīng)力，提高電路板的可靠性和魯棒性。

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

封裝和連接技術(shù)是電子組件組裝和焊接的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。應(yīng)力分析可以幫助評(píng)估不同封裝和連接技術(shù)對(duì)元件的應(yīng)力影響。 通過應(yīng)力分析，可以確定最適合元件的封裝和連接方法， 以減少應(yīng)力引起的失效風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)力分析可以指導(dǎo)焊接工藝的優(yōu)化， 減少焊接應(yīng)力和熱應(yīng)力對(duì)元件的影響。這將提高封裝和連接的魯棒性， 減少元件失效的風(fēng)險(xiǎn)。

在封裝選擇方面，應(yīng)力分析可以幫助確定最適合元件的封裝類型和尺寸。不同的封裝類型和尺寸在焊接和使用過程中會(huì)受到不同的應(yīng)力。通過應(yīng)力分析，可以評(píng)估不同封裝類型和尺寸對(duì)元件的應(yīng)力影響，并選擇相對(duì)較低的應(yīng)力封裝。這有助于降低元件在組裝和使用過程中的應(yīng)力水平，減少應(yīng)力引起的失效風(fēng)險(xiǎn)。

在連接技術(shù)方面， 應(yīng)力分析可以指導(dǎo)焊接工藝的優(yōu)化。焊接過程中會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力和熱應(yīng)力， 這可能對(duì)元件造成損害。 通過應(yīng)力分析， 可以評(píng)估不同焊接工藝對(duì)元件的應(yīng)力影響， 并找到最優(yōu)的焊接參數(shù)和工藝，以減少應(yīng)力對(duì)元件的影響。 例如， 通過調(diào)整焊接溫度、 焊接時(shí)間和焊接壓力等參數(shù)，可以減少焊接應(yīng)力和熱應(yīng)力的影響， 提高連接的魯棒性。

通過應(yīng)力分析， 設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可以選擇最適合元件的封裝和連接技術(shù)，以減少應(yīng)力引起的失效風(fēng)險(xiǎn)。 這有助于提高封裝和連接的魯棒性，減少元件失效的風(fēng)險(xiǎn)。 在電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和組裝過程中， 應(yīng)力分析是必不可少的工具， 可以提高產(chǎn)品的可靠性和性能， 降低維修和更換的需求。 因此， 應(yīng)力分析在電子組件的封裝和連接方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

圖3-11所描述的內(nèi)容強(qiáng)調(diào)了在設(shè)計(jì)印制電路板 （PCB）時(shí)，應(yīng)避免將球柵陣列 （bga）元件放置在的中心區(qū)域。 這一建議主要是基于以下考慮：

1）彎曲和壓縮問題：當(dāng)PCB受到外部力量時(shí)，比如在裝配過程中或使用中，PCB可能會(huì)發(fā)生彎曲。 如果 BGA位于PCB中心，  它將直接承受這些彎曲力， 可能導(dǎo)致 BGA焊點(diǎn)斷裂或元件損壞。

2）熱管理：中心位置可能不利于熱量的散發(fā)，因?yàn)闊崃啃枰ㄟ^ B傳導(dǎo)到邊緣才能被散熱系統(tǒng)帶走。這可能導(dǎo)致BGA元件過熱，影響其性能和壽命。

3）機(jī)械應(yīng)力： 放置在中心的 BGA可能會(huì)成為機(jī)械應(yīng)力的集中點(diǎn)， 特別是在PCB受到壓縮或彎曲時(shí)。這種應(yīng)力可能導(dǎo)致 BGA焊點(diǎn)的疲勞斷裂，影響整個(gè)電路板的可靠性。

4）裝配和維修： 中心位置的 BGA可能會(huì)給裝配和維修帶來困難， 因?yàn)樗?/span>可能阻礙對(duì)PCB上其他元件的訪問。此外，中心位置可能不利于自動(dòng)化裝配流程， 增加生產(chǎn)成本。

5）信號(hào)完整性：BGA放置在中心可能會(huì)影響信號(hào)的傳輸路徑，特別是在高速設(shè)計(jì)中。這可能會(huì)增加信號(hào)的傳輸延遲，影響信號(hào)完整性。

因此， 為了提高PCB的可靠性和性能，通常建議將 BGA放置在PCB的邊緣區(qū)域， 這樣可以更好地管理熱量、 減少機(jī)械應(yīng)力、 簡化裝配和維修過程， 并優(yōu)化信號(hào)完整性。

圖 3-12 強(qiáng)調(diào)了在設(shè)計(jì)和制造過程中選擇合適的安裝策略的重要性，以確保產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。 偏移安裝在檢測(cè)和返工方面更為簡單，而鏡像安裝則面臨更多的挑戰(zhàn)。

內(nèi)容簡介

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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作者簡介：高宜國一位在汽車行業(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。