元件應力分析法是用于詳細設計階段的一種預計方法。 在這個階段，所使用的元件規(guī)格、 數(shù)量、 工作應力和環(huán)境、 質(zhì)量系數(shù)等應該是已知的，或者根據(jù)硬件定義可以確定的， 當使用相同元件時，對它們的失效率因子所做的假設應該是相同的和正確的。 在實際或模擬使用條件下進行魯棒性測量之前，元件應力分析法是最精確的可靠性預計方法。

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

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

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《汽車電子設計：魯棒性設計》目錄

第1章　失效物理場分析 1

1.1　概述 2

1.1.1　失效物理場的定義和基本原理 2

1.1.2　失效物理場與電子組件魯棒性的關系 3

1.1.3　失效物理場的分類和常見類型 4

1.1.4　失效的影響 5

1.1.5　失效物理場分析的重要性 6

1.1.6　失效物理場分析的收益 7

1.2　失效物理場的測試方法和技術 8

1.2.1　加速測試與魯棒性測試 8

1.2.2　失效物理場的模擬與建模技術 9

1.2.3　監(jiān)測與分析失效物理場的工具和技術 10

1.2.4　失效物理場的分析方法和流程 10

1.3　電子組件失效的物理機制 11

1.3.1　電學失效 12

1.3.2　熱學失效 13

1.3.3　機械失效 14

1.3.4　化學失效 15

1.4　電子元件失效的環(huán)境相關性分析 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　振動和機械應力 22

1.5　失效物理場的模型與預測 23

1.5.1　失效物理場的建模 23

1.5.2　失效物理場庫 24

1.5.3　失效物理場的預測 24

1.5.4　魯棒性評估與設計優(yōu)化 25

1.6　失效物理場的應用和控制策略 26

1.6.1　應用領域 26

1.6.2　控制策略 27

1.7　失效物理場研究的應用 28

1.7.1　失效物理場研究在電子組件設計中的應用 28

1.7.2　失效物理場研究在魯棒性評估與改進中的應用 29

1.7.3　失效物理場研究在電子制造與維修中的應用 30

1.7.4　失效物理場的控制策略與工程實踐 31

1.8　失效物理場分析示例 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　可焊性測試 54

1.11.2　污染測試 55

1.11.3　微切片測試 56

1.11.4　自動X射線檢測(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　成本風險 62

2.2.2　可用性風險 62

2.2.3　不兼容風險 63

2.2.4　未知失效風險 63

2.3　元件選型對魯棒性的影響 64

2.4　新元件會為可靠的產(chǎn)品性能帶來一系列風險 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　電阻器設計準則 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　電容器設計準則 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　繼電器設計 82

2.9.1　繼電器的技術參數(shù)和選型考慮因素 82

2.9.2　繼電器的選型步驟 83

2.9.3　繼電器的選型準則 83

2.9.4　繼電器使用檢查清單 84

2.9.5　繼電器的設計方法 86

2.10　開關設計 89

2.10.1　開關的選型考慮因素 90

2.10.2　開關的選型步驟 93

2.10.3　開關的選型準則 93

2.11　晶體和振蕩器設計 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則 96

2.12　光隔離器設計 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　光隔離器的選型準則 98

2.13　斷路器和熔斷器設計 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則 101

2.14　插接器設計 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　插接器的選型準則 104

2.15　二極管設計 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　二極管的選型準則 106

2.16　晶體管設計 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　晶體管的選型準則 111

2.17　單片微電路和混合微電路設計 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則 113

第3 章　應力分析 116

3.1　應力與強度概念 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 的關鍵參數(shù)和指標 119

3.1.4　理想的應力與強度關系 119

3.1.5　實際的應力與強度關系 120

3.1.6　應力曲線和強度曲線分析方法 121

3.1.7　時間的影響 122

3.1.8　PSA 流程 123

3.2　應力與強度分析 124

3.2.1　應力與強度正態(tài)假設 124

3.2.2　符號 125

3.2.3　三種情況 125

3.2.4　兩個正態(tài)分布 128

3.2.5　計算示例 129

3.3　應力類型 130

3.3.1　機械應力分析 130

3.3.2　熱應力分析 131

3.3.3　電應力分析 132

3.3.4　化學應力分析 134

3.3.5　環(huán)境應力分析 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)品的任務剖面 138

3.4.3　應力與故障機制的關聯(lián) 141

3.5　應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 144

3.6　應力比 145

3.6.1　質(zhì)量信息 146

3.6.2　應力比 147

3.6.3　示例 147

3.6.4　不同的應力類型導致的失效 148

3.7　應力分析的應用 149

3.7.1　應力分析在元件選型和評估中的應用 149

3.7.2　應力分析在電路板布局和設計中的應用 149

3.7.3　應力分析在封裝和連接技術中的應用 150

3.8　PSA 與魯棒性設計的關系 152

3.8.1　PSA 在魯棒性設計中的作用與意義 152

3.8.2　PSA 與魯棒性評估方法的結(jié)合 152

3.8.3　PSA 與故障分析和預測的關聯(lián) 152

3.9　實例研究與案例分析 152

3.9.1　電阻器的應力分析示例 152

3.9.2　電容器的應力分析示例 153

3.9.3　晶體管的應力分析示例 154

3.10　PSA 工具與技術 154

3.10.1　應力測試與分析設備 154

3.10.2　應力仿真與模擬軟件 154

3.10.3　應力測量方法與技術 155

第4 章　參數(shù)趨勢分析 156

4.1　概述 156

4.1.1　參數(shù)趨勢分析的定義 157

4.1.2　參數(shù)趨勢分析的作用 158

4.1.3　PTA 和WCCA 的比較 158

4.2　開發(fā)元件特性數(shù)據(jù)庫的關鍵步驟 159

4.2.1　參考數(shù)據(jù)庫來源 160

4.2.2　元件參數(shù)趨勢分析 160

4.2.3　元件參數(shù)趨勢量化 161

4.3　參數(shù)趨勢分析過程 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)趨勢分析方法 166

4.5　電容最小值和最大值的計算 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)變化趨勢分析的應用案例 171

4.8.1　電阻元件參數(shù)變化趨勢分析 171

4.8.2　電容元件參數(shù)變化趨勢分析 171

4.8.3　晶體管元件參數(shù)變化趨勢分析 173

4.8.4　LDO 元件的參數(shù)變化趨勢分析 177

第5 章　降額設計 179

5.1　定義 180

5.1.1　降額 181

5.1.2　降額方法 182

5.1.3　術語 183

5.1.4　最大推薦工作條件 184

5.1.5　絕對最大額定值 184

5.2　計算條件 185

5.2.1　最壞情況的預期條件 186

5.2.2　溫度降額系數(shù) 187

5.3　降額等級的劃分 188

5.3.1?、窦壗殿~ 189

5.3.2　Ⅱ級降額 191

5.3.3?、蠹壗殿~ 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　光學元件降額規(guī)則 209

5.4.15　導線與電纜降額規(guī)則 210

5.4.16　電機降額規(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　電壓與失效時間的關系 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機 227

6.1.3　最壞情況電路分析的程度 227

6.1.4　誰應該進行最壞情況電路分析/評審 228

6.1.5　利用最壞情況電路分析進行故障分析 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度安排 230

6.1.8　常發(fā)問題位置及因素 230

6.1.9　電氣測試方法和限制 231

6.1.10　進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)庫設置 236

6.2.6　確定關鍵參數(shù) 237

6.2.7　處理定義不明確的公差 237

6.2.8　RSS 計算和應用 238

6.2.9　WCCA 示例: 三端穩(wěn)壓器 239

6.2.10　關聯(lián)硬件WCCA 結(jié)果 243

6.3　最壞情況電路分析的對象與范圍 244

6.3.1　最壞情況電路分析的對象 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 245

6.4　最壞情況電路分析的設計流程 246

6.4.1　最壞情況電路分析準備工作 246

6.4.2　關鍵電路識別工具 248

6.4.3　確定待分析電路 249

6.4.4　明確電路設計的基本參數(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告 254

3.4 環(huán)境和使用因素

魯棒性的定義包括四個要素，其中之一就是組件或系統(tǒng)將承受一系列應力的預期環(huán)境。 這意味著在設計和制造組件或系統(tǒng)時，需要考慮到可能遇到的多種應力情況， 包括溫度變化、 濕度、振動、壓力等。根據(jù)預期環(huán)境的不同，組件或系統(tǒng)需要具備相應的抗應力能力，以確保其穩(wěn)定和可靠的運行。

為了評估魯棒性，可以進行應力測試和環(huán)境試驗，以模擬不同的應力條件。這些測試可以揭示組件或系統(tǒng)在不同應力下的性能，并確定其在預期環(huán)境中的適應能力。通過對測試結(jié)果的分析和評估，可以確定組件或系統(tǒng)的魯棒性水平，并做出相應的改進和調(diào)整。

魯棒性的提高可以通過多種方法實現(xiàn)， 例如使用強度更高的材料、改進設計以增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、 采用防護措施來減少應力的影響等。 此外， 定期的維護和保養(yǎng)也是確保組件或系統(tǒng)保持魯棒性的重要措施。

需要指出的是， 魯棒性不僅關乎組件或系統(tǒng)本身的性能和可靠性，還與整個系統(tǒng)的可持續(xù)性和安全性密切相關。 在面對復雜和多變的環(huán)境條件時，健壯的組件或系統(tǒng)能夠更好地應對挑戰(zhàn)， 減少潛在的故障和發(fā)生事故的風險。

健壯的組件或系統(tǒng)能夠在預期環(huán)境下承受一系列應力，以滿足客戶期望并具備適當?shù)目稍O計性。以下是了解項目在何處以及如何運作能夠?qū)崿F(xiàn)這些目標的關鍵要點：

適當設計：了解項目將在何處以及如何運作對于設計適當?shù)慕M件或系統(tǒng)至關重要。 這意味著需要了解項目的工作條件、 環(huán)境要求、 使用頻率和負載要求等。 基于這些信息， 可以進行合理的設計， 以確保組件或系統(tǒng)能夠滿足客戶期望。

耐久性： 在運輸、 儲存和使用過程中， 耐久性是不可或缺的。了解項目在這些方面的要求， 可以確保組件或系統(tǒng)具備耐用性。這可能涉及選擇合適的材料、 設計結(jié)構(gòu)和采取適當?shù)谋Ｗo措施， 以抵御外部應力和環(huán)境影響。

應力計算：完整的應力計算是確保組件或系統(tǒng)能夠應對應力及其變化的關鍵。 通過了解項目的工作條件和應力來源， 可以進行應力分析和計算。 這可以涉及使用工程計算和分析軟件， 以評估應力分布和應力集中區(qū)域，并確定是否存在潛在的弱點或故障點。

應力降額技術： 應力降額技術是應對高應力情況的有效手段。了解項目的工作條件和要求，可以選擇合適的技術來減輕應力。這可能包括使用緩沖材料、改變結(jié)構(gòu)設計、 增加支撐或采用其他減輕應力的方法。

應力跟蹤的安裝和監(jiān)控： 對于健壯的組件或系統(tǒng)，高效的應力跟蹤是必不可少的。 這可以通過安裝應力傳感器或監(jiān)測裝置來實現(xiàn)。通過實時監(jiān)控應力水平， 可以及時發(fā)現(xiàn)潛在的問題， 并采取適當?shù)拇胧┻M行修復或調(diào)整。

一個項目的操作或功能通常會發(fā)生在特定的地方，在不同的環(huán)境中會承受不同的應力。 例如，辦公室的環(huán)境應力與汽車機艙蓋下或軌道通信衛(wèi)星外部的環(huán)境應力是不同的。 在進行初始設計過程和后續(xù)產(chǎn)品操作時，深入了解所施加應力的類型和數(shù)量是非常重要的。

作為設計過程的一部分， 需要考慮可能影響產(chǎn)品性能或壽命的外部應力。這些外部應力可能包括溫度變化、 濕度、 振動、 壓力、腐蝕、輻射等。了解并評估這些應力對產(chǎn)品的影響，可以幫助設計人員采取相應的措施來增強產(chǎn)品的魯棒性和可靠性。

需要明確的是，并非所有的應力都是有害的，也不一定會降低產(chǎn)品的功能。事實上， 一些應力對產(chǎn)品的性能和功能具有積極的影響。 例如， 在汽車機艙蓋下， 高溫和壓力可能是必要的， 以確保發(fā)動機的正常工作。 在軌道通信衛(wèi)星的外部， 承受輻射和真空環(huán)境可能是必要的， 以確保通信信號的穩(wěn)定性。

因此， 在考慮外部應力時，需要綜合考慮產(chǎn)品的設計需求和預期的應力環(huán)境。 通過深入了解應力的類型和數(shù)量，可以更好地評估其對產(chǎn)品性能和壽命的影響， 并采取適當?shù)拇胧﹣泶_保產(chǎn)品在特定環(huán)境中的可靠性和功能。

3.4.1使用因素的類型

通過考慮產(chǎn)品存在的每個階段以及不同類型的使用情況， 生成使用因素列表，如圖3-9所示。除了了解儲存期間預期的氣候條件外，儲存將持續(xù)多長時間？ 以汽車的使用為例， 有許多因素會對汽車施加應力和影響其運行能力。 以下是一些常見的使用因素類型：

駕駛方式： 駕駛方式會對汽車的各個組件施加應力。 例如， 急加速、緊急制動、 頻繁變道和高速行駛等激烈的駕駛方式會增加發(fā)動機、制動系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)的負荷， 可能導致更快的磨損和故障。

使用頻率和持續(xù)時間：汽車的使用頻率和每次使用的持續(xù)時間也會對其運行能力產(chǎn)生影響。 頻繁的長時間使用可能導致各個組件的磨損更快，而長時間停放后再次啟動可能導致部分系統(tǒng)的問題。

道路條件：不同的道路條件會給汽車帶來不同的應力。例如，惡劣的路面、顛簸的路段和頻繁的過坑會增加懸架系統(tǒng)和輪胎的負荷，可能導致更快的磨損和損壞。

負荷和拖車： 在需要攜帶重物或拖車的情況下， 汽車的發(fā)動機、 懸架系統(tǒng)和制動系統(tǒng)等都會承受更大的負荷。超載和不正確的拖車使用可能導致汽車組件的過度磨損和故障。

維護和保養(yǎng)： 汽車的定期維護和保養(yǎng)對其運行能力至關重要。不規(guī)范的維護和保養(yǎng)可能導致各個組件的早期故障和損壞。

存儲條件：如果汽車需要長期存放，存儲條件也會影響其運行能力。例如，長期暴露在惡劣的氣候條件下可能導致腐蝕、 漏水和電氣問題。

輕度用戶和重度用戶： 輕度用戶指的是相對較少使用汽車的用戶， 可能只在必要時才使用汽車，如偶爾的短途出行；重度用戶則是經(jīng)常使用汽車，可能每天使用或長距離駕駛。 重度用戶對汽車的使用頻率更高， 可能會更早暴露出潛在故障和磨損。 他們的駕駛方式可能更激烈， 對各個組件的負荷更大。

男性用戶和女性用戶： 男性用戶和女性用戶在駕駛方式、行駛習慣和維護保養(yǎng)方面可能存在差異。 例如， 男性用戶可能更傾向于激烈的駕駛方式， 如高速行駛和超車， 而女性用戶可能更注重平穩(wěn)的駕駛和燃油經(jīng)濟性。 此外， 維護保養(yǎng)方面， 男性用戶可能更傾向于自己進行汽車維修和保養(yǎng)，而女性用戶可能更傾向于尋求專業(yè)技術支持。

3.4.2產(chǎn)品的任務剖面

以圖3-10所示的汽車的使用為例，汽車的任務剖面是指車輛在不同的使用任務下所受到的要求和應力。 根據(jù)上文所討論的不同用戶類型和性別，工程師可以進一步探討汽車的任務剖面。

圖3-10 車門模塊樹狀分析功能負荷

城市駕駛?cè)蝿?/span>： 城市駕駛?cè)蝿罩傅氖窃诔鞘协h(huán)境中進行日常駕駛，如上下班通勤、 購物、 接送孩子等。 在城市駕駛?cè)蝿罩?/span>， 汽車可能頻繁起動和停止，需要更多的低速行駛和加速。 此外， 在城市駕駛?cè)蝿罩?/span>， 車輛可能面臨更多的擁堵和交通限制， 需要更好的操控性和機動性。

長途旅行任務： 長途旅行任務指的是在公路上進行長距離駕駛，如家庭度假、 商務出差等。 在長途旅行任務中， 車輛需要具備較好的燃油經(jīng)濟性、舒適性和安全性能。 長時間的連續(xù)駕駛可能對發(fā)動機、懸架系統(tǒng)和制動系統(tǒng)等產(chǎn)生更高的負荷。此外，更大的儲物空間和舒適的座椅對于長途旅行任務也很重要。越野駕駛?cè)蝿?/span>： 越野駕駛?cè)蝿罩傅氖窃谄閸绲牡匦紊线M行駕駛， 如山地探險、 越野賽車等。 在越野駕駛?cè)蝿罩?/span>， 車輛需要更強的懸架系統(tǒng)、足夠的離地間隙和可靠的四驅(qū)系統(tǒng)。 同時，保護車輛底部和車身的防護板和護欄也是必要的。

在考慮任務剖面時，還應該考慮不同用戶類型和性別對汽車的需求。例如，男性用戶可能更注重汽車的性能和操控性，而女性用戶可能更注重汽車的舒適性和安全性。 因此，汽車制造商可以根據(jù)不同用戶和任務的需求來設計和定位車型， 以提供更符合用戶期望的產(chǎn)品。 同時， 用戶在選擇汽車時也可以根據(jù)自己的使用任務和需求來選擇最適合的車型。

對于手持或運輸?shù)漠a(chǎn)品， 掉落是一個重要的使用場景，它可能是預期使用的常規(guī)部分， 也可能是罕見的非預期經(jīng)歷。 掉落的頻率、 高度和表面條件等因素都會對產(chǎn)品的魯棒性和功能產(chǎn)生影響。

掉落頻率和高度： 不同產(chǎn)品和使用場景下的掉落頻率和高度會有所不同。例如， 對于移動電話或平板電腦等手持設備， 掉落可能相對頻繁， 可能發(fā)生在較低的高度， 如從手掌高度或膝蓋高度。 而對于一些工業(yè)設備或?qū)I(yè)儀器， 掉落可能較為罕見， 但可能發(fā)生在較高的高度， 如從梯子或臺階上掉落。

掉落表面：不同的表面條件也會影響掉落產(chǎn)生的沖擊力和對產(chǎn)品的損傷程度。例如，掉落在硬地面上（如水泥地面）可能會導致更嚴重的損壞，而掉落在柔軟的地毯或草地上可能會減輕沖擊力。

使用方式： 產(chǎn)品被撞擊、 撞擊、 坐在或踩在上面的情況也會對產(chǎn)品的功能和魯棒性產(chǎn)生影響。 例如， 對于一個運動鞋， 經(jīng)常遇到踩踏和撞擊的情況是正常的， 而對于一個智能手表， 經(jīng)常遇到撞擊和坐在上面的情況則是不合適的。

在產(chǎn)品壽命周期中， 工程師需要考慮不同類型的應用和用戶。輕度用戶和重度用戶之間的比例可能會根據(jù)不同產(chǎn)品和市場有所變化。輕度用戶可能更注重產(chǎn)品的外觀和易用性， 而重度用戶可能更注重產(chǎn)品的耐用性和性能。

針對掉落和其他使用因素，工程師可以建立一個影響功能或魯棒性的使用因素列表， 以便更好地理解和評估產(chǎn)品設計的要求。 這個列表可以包括掉落、撞擊、 振動、 溫度變化、 濕度、灰塵和水濺等因素。通過對這些因素進行考慮和測試，工程師可以優(yōu)化產(chǎn)品的設計和材料選擇，以提供更好的功能和耐用性。在考慮任務剖面時， 還應該考慮道路狀況和氣候條件， 以及汽車的預期使

用方式和駕駛風格：

道路狀況： 汽車在不同道路狀況下所經(jīng)歷的應力是非常重要的。 例如， 平整的公路上行駛相對較為平穩(wěn)，而在崎嶇的山路或不平的鄉(xiāng)村道路上行駛則會對汽車的懸架系統(tǒng)和底盤產(chǎn)生更大的沖擊。 此外，濕滑的路面和冰雪覆蓋的路面也對車輛的牽引和操控性能提出了更高的要求。

氣候條件： 氣候條件也會對汽車產(chǎn)生影響。 在極端的溫度條件下， 如酷寒的冬天或酷熱的夏天， 汽車的發(fā)動機、電池和冷卻系統(tǒng)等組件可能面臨更大的負荷和應力。此外，濕潤的氣候（海風氣候）條件下，車輛的防銹和防腐保護也更為重要。

負荷和使用方式： 汽車的負荷和使用方式也會對其應力剖面產(chǎn)生影響。例如， 長途旅行時， 汽車可能需要承載更多的貨物和乘客， 對發(fā)動機、懸架系統(tǒng)和制動系統(tǒng)提出更高的要求。 同時，大量的城市行駛和頻繁的起停也會對發(fā)動機、 變速器和燃油經(jīng)濟性產(chǎn)生影響。

駕駛方式和風格：駕駛方式和風格也是影響汽車應力剖面的因素之一。激進的駕駛方式、高速行駛、頻繁的超車和緊急制動等行為都會對汽車的發(fā)動機、懸架系統(tǒng)和制動系統(tǒng)造成更大的應力和負荷。

3.4.3 應力與故障機制的關聯(lián)

不同應力可以引起元件的特定失效模式，下面將詳細介紹幾個常見的失效模式及其背后的物理原理和過程。

溫度應力引發(fā)焊接破裂： 在電子組件制造過程中，焊接是常用的連接方式。當元件在運行過程中經(jīng)歷溫度變化時， 焊點會受到溫度應力的作用。 由于不同材料的熱膨脹系數(shù)不同， 當溫度變化引起材料膨脹或收縮時， 焊點可能會受到拉力或壓力。 這種溫度應力可能導致焊點破裂，從而引發(fā)電路中斷或功能失效。例如，對于表面貼裝技術（SMT）中的焊接連接，當電子組件在使用中經(jīng)

歷溫度變化時， 焊點可能會受到應力的影響。如果焊點的強度不足以抵抗溫度應力， 焊點就會發(fā)生破裂， 導致電路中斷或連接失效。

振動應力導致電路板斷裂： 振動應力是一種常見的機械應力，可能由于元件的自重、 外部力或運輸過程中的振動引起。 當電子組件受到振動應力時， 電路板可能會發(fā)生彎曲或振動。 如果振動應力超過了電路板材料的強度極限，電路板可能會發(fā)生斷裂或開裂， 導致連接失效或功能損壞。

舉例來說， 某個電子組件的主板上安裝了一些電子元件和插接器。當設備在運行時， 由于設備的振動， 電路板可能會受到劇烈的振動應力。 如果電路板的材料或結(jié)構(gòu)不足以承受這種振動應力， 電路板可能會發(fā)生裂紋或斷裂，導致插接器失效或電子元件間斷。

環(huán)境應力導致電氣絕緣性能下降：環(huán)境中的濕度和化學物質(zhì)可以對電子組件產(chǎn)生應力， 并導致特定的失效模式。 濕度可以滲入元件的封裝或接觸點， 導致電路中的電氣絕緣性能下降。這可能會導致電氣短路、電路失效或功能降低。舉例來說， 某個電子組件被放置在高濕度的環(huán)境中， 濕氣可能滲入封裝中的電路板或電子元件。濕氣會導致金屬腐蝕或絕緣材料的損壞，從而導致電路中的電氣短路。這可能會導致電路失效或功能降低。

熱周期性應力引起焊點疲勞：電子組件在開啟和關閉過程中經(jīng)歷溫度周期性變化， 這會導致熱應力的產(chǎn)生。 這種熱應力可以導致焊點的疲勞， 從而引發(fā)焊點斷裂。

舉例來說， 某個電子元件的焊點連接在電路板上。當設備頻繁開啟和關閉時， 焊點會經(jīng)歷反復的熱膨脹和冷收縮。這種熱膨脹和冷收縮可能會導致焊點材料疲勞， 最終導致焊點斷裂。這可能會導致電路中斷、連接失效或功能損壞。這些示例說明了應力與故障機制之間的關聯(lián)。 不適當或過大的應力會導致

元件的特定失效模式，從而影響元件的性能和可靠性。了解并控制不同應力類型對元件的影響是設計和制造過程中的重要考慮因素，以確保元件的可靠性和壽命。

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分析、元件選型、應力分析、參數(shù)趨勢分析、降額設計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、預測和解決汽車電子系統(tǒng)中的故障和挑戰(zhàn)。在每個章節(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用所學內(nèi)容。

本書適合對汽車電子硬件以及技術感興趣的讀者，無論是開發(fā)者、設計者、科研工作者還是剛?cè)腴T的技術人員，均可將本書作為學習參考用書。本書還適合有相關知識背景的從業(yè)人員迚行深入學習。

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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，涉足的領域包括汽車電子器件、汽車電子電路設計、汽車電子魯棒性設計（DFR）、汽車電子卓越設計（DFX）和汽車電子最壞情況電路分析（WCCA）。作者有個人公眾號汽車電子工程知識體系(AEEBOK)，在公眾號上將自己的經(jīng)驗和見解整理成文章，內(nèi)容涵蓋了電子器件的選擇和應用、電路設計的方法和技巧、測試和可靠性設計的知識點等。希望自己的公眾號能夠成為廣大汽車電子工程師和學習者學習和交流的平臺 ，也希望能為汽車行業(yè)提供有價值的信息和指導。

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