汽车电子设计：鲁棒性设计_应力与强度概念

元件应力分析法是用于详细设计阶段的一种预计方法。 在这个阶段，所使用的元件规格、 数量、 工作应力和环境、 质量系数等应该是已知的，或者根据硬件定义可以确定的， 当使用相同元件时，对它们的失效率因子所做的假设应该是相同的和正确的。 在实际或模拟使用条件下进行鲁棒性测量之前，元件应力分析法是最精确的可靠性预计方法。

物理应力分析是评估电子组件可靠性的一个重要方面。它涉及评估设备的物理封装， 以确保其能够保持结构完整性、 电路互连完整性， 并为电子电路可靠运行提供合适的环境。

注：本文节选自《汽车电子设计：鲁棒性设计》，由机械工业出版社出版

本书特别适合汽车电子工程师、可靠性专家、零部件供应商技术团队及高校师生使用。无论是新能源三电系统开发、智能驾驶域控制器设计，还是车规芯片选型，都能从中获得直接可用的技术工具——如继电器触点匹配表、HALT测试方案模板、参数趋势灰色预测模型等。随书附赠《汽车电子失效模式速查手册》电子版，大幅提升工程问题排查效率。

《汽车电子设计：鲁棒性设计》目录

第1章　失效物理场分析 1

1.1　概述 2

1.1.1　失效物理场的定义和基本原理 2

1.1.2　失效物理场与电子组件鲁棒性的关系 3

1.1.3　失效物理场的分类和常见类型 4

1.1.4　失效的影响 5

1.1.5　失效物理场分析的重要性 6

1.1.6　失效物理场分析的收益 7

1.2　失效物理场的测试方法和技术 8

1.2.1　加速测试与鲁棒性测试 8

1.2.2　失效物理场的模拟与建模技术 9

1.2.3　监测与分析失效物理场的工具和技术 10

1.2.4　失效物理场的分析方法和流程 10

1.3　电子组件失效的物理机制 11

1.3.1　电学失效 12

1.3.2　热学失效 13

1.3.3　机械失效 14

1.3.4　化学失效 15

1.4　电子元件失效的环境相关性分析 18

1.4.1　温度环境 19

1.4.2　湿度 19

1.4.3　氧化和氧环境 21

1.4.4　辐射和电磁干扰 22

1.4.5　振动和机械应力 22

1.5　失效物理场的模型与预测 23

1.5.1　失效物理场的建模 23

1.5.2　失效物理场库 24

1.5.3　失效物理场的预测 24

1.5.4　鲁棒性评估与设计优化 25

1.6　失效物理场的应用和控制策略 26

1.6.1　应用领域 26

1.6.2　控制策略 27

1.7　失效物理场研究的应用 28

1.7.1　失效物理场研究在电子组件设计中的应用 28

1.7.2　失效物理场研究在鲁棒性评估与改进中的应用 29

1.7.3　失效物理场研究在电子制造与维修中的应用 30

1.7.4　失效物理场的控制策略与工程实践 31

1.8　失效物理场分析示例 32

1.8.1　电阻器失效 33

1.8.2　失效模式占失效总比例表 34

1.8.3　失效模式机理分析 35

1.9　PCB 电子组件故障 40

1.9.1　PCB 电子组件故障的6 种类型 40

1.9.2　电子组件故障的分析 41

1.10　常见的电子组件故障 41

1.10.1　机械故障 42

1.10.2　热故障 47

1.10.3　环境故障 47

1.10.4　电应力故障 48

1.10.5　封装故障 52

1.10.6　老化故障 52

1.11　确定元件故障的方法 53

1.11.1　可焊性测试 54

1.11.2　污染测试 55

1.11.3　微切片测试 56

1.11.4　自动X射线检测(AXI) 57

1.11.5　表面成像方法 58

第2 章　元件选型 60

2.1　元件选型过程 60

2.2　元件选型过程不佳的潜在问题 61

2.2.1　成本风险 62

2.2.2　可用性风险 62

2.2.3　不兼容风险 63

2.2.4　未知失效风险 63

2.3　元件选型对鲁棒性的影响 64

2.4　新元件会为可靠的产品性能带来一系列风险 66

2.5　元件选型方法 67

2.6　电阻器选型 67

2.6.1　电阻器选型考虑因素 68

2.6.2　电阻器选型步骤 70

2.6.3　电阻器设计准则 70

2.7　电容器选型 73

2.7.1　电容器选型考虑因素 74

2.7.2　电容器选型步骤 75

2.7.3　电容器设计准则 76

2.8　变压器和电感器选型 77

2.8.1　电感器选型 79

2.8.2　变压器选型 80

2.8.3　电感器和变压器选型步骤 81

2.9　继电器设计 82

2.9.1　继电器的技术参数和选型考虑因素 82

2.9.2　继电器的选型步骤 83

2.9.3　继电器的选型准则 83

2.9.4　继电器使用检查清单 84

2.9.5　继电器的设计方法 86

2.10　开关设计 89

2.10.1　开关的选型考虑因素 90

2.10.2　开关的选型步骤 93

2.10.3　开关的选型准则 93

2.11　晶体和振荡器设计 94

2.11.1　晶体和振荡器的选型考虑因素 95

2.11.2　晶体和振荡器的选型步骤 95

2.11.3　晶体和振荡器的选型准则 96

2.12　光隔离器设计 96

2.12.1　光隔离器的选型考虑因素 97

2.12.2　光隔离器的选型步骤 98

2.12.3　光隔离器的选型准则 98

2.13　断路器和熔断器设计 99

2.13.1　断路器和熔断器的选型考虑因素 99

2.13.2　断路器和熔断器的选型步骤 100

2.13.3　断路器和熔断器的选型准则 101

2.14　插接器设计 102

2.14.1　插接器的选型考虑因素 102

2.14.2　插接器的选型步骤 103

2.14.3　插接器的选型准则 104

2.15　二极管设计 104

2.15.1　二极管的选型考虑因素 105

2.15.2　二极管的选型步骤 105

2.15.3　二极管的选型准则 106

2.16　晶体管设计 108

2.16.1　晶体管的选型考虑因素 109

2.16.2　晶体管的选型步骤 110

2.16.3　晶体管的选型准则 111

2.17　单片微电路和混合微电路设计 112

2.17.1　单片微电路和混合微电路的选型考虑因素 112

2.17.2　单片微电路和混合微电路的选型步骤 113

2.17.3　单片微电路和混合微电路的选型准则 113

第3 章　应力分析 116

3.1　应力与强度概念 117

3.1.1　PSA 的定义和概述 118

3.1.2　PSA 的方法和步骤 119

3.1.3　PSA 的关键参数和指标 119

3.1.4　理想的应力与强度关系 119

3.1.5　实际的应力与强度关系 120

3.1.6　应力曲线和强度曲线分析方法 121

3.1.7　时间的影响 122

3.1.8　PSA 流程 123

3.2　应力与强度分析 124

3.2.1　应力与强度正态假设 124

3.2.2　符号 125

3.2.3　三种情况 125

3.2.4　两个正态分布 128

3.2.5　计算示例 129

3.3　应力类型 130

3.3.1　机械应力分析 130

3.3.2　热应力分析 131

3.3.3　电应力分析 132

3.3.4　化学应力分析 134

3.3.5　环境应力分析 134

3.4　环境和使用因素 135

3.4.1　使用因素的类型 137

3.4.2　产品的任务剖面 138

3.4.3　应力与故障机制的关联 141

3.5　应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　注意事项 144

3.6　应力比 145

3.6.1　质量信息 146

3.6.2　应力比 147

3.6.3　示例 147

3.6.4　不同的应力类型导致的失效 148

3.7　应力分析的应用 149

3.7.1　应力分析在元件选型和评估中的应用 149

3.7.2　应力分析在电路板布局和设计中的应用 149

3.7.3　应力分析在封装和连接技术中的应用 150

3.8　PSA 与鲁棒性设计的关系 152

3.8.1　PSA 在鲁棒性设计中的作用与意义 152

3.8.2　PSA 与鲁棒性评估方法的结合 152

3.8.3　PSA 与故障分析和预测的关联 152

3.9　实例研究与案例分析 152

3.9.1　电阻器的应力分析示例 152

3.9.2　电容器的应力分析示例 153

3.9.3　晶体管的应力分析示例 154

3.10　PSA 工具与技术 154

3.10.1　应力测试与分析设备 154

3.10.2　应力仿真与模拟软件 154

3.10.3　应力测量方法与技术 155

第4 章　参数趋势分析 156

4.1　概述 156

4.1.1　参数趋势分析的定义 157

4.1.2　参数趋势分析的作用 158

4.1.3　PTA 和WCCA 的比较 158

4.2　开发元件特性数据库的关键步骤 159

4.2.1　参考数据库来源 160

4.2.2　元件参数趋势分析 160

4.2.3　元件参数趋势量化 161

4.3　参数趋势分析过程 162

4.3.1　确定分析方法 163

4.3.2　获取数据 163

4.3.3　分析计划 164

4.3.4　执行参数分析 165

4.3.5　记录结果 165

4.4　参数趋势分析方法 166

4.5　电容最小值和最大值的计算 167

4.6　元件参数可变性 167

4.7　数值方法 170

4.8　电子元件参数变化趋势分析的应用案例 171

4.8.1　电阻元件参数变化趋势分析 171

4.8.2　电容元件参数变化趋势分析 171

4.8.3　晶体管元件参数变化趋势分析 173

4.8.4　LDO 元件的参数变化趋势分析 177

第5 章　降额设计 179

5.1　定义 180

5.1.1　降额 181

5.1.2　降额方法 182

5.1.3　术语 183

5.1.4　最大推荐工作条件 184

5.1.5　绝对最大额定值 184

5.2　计算条件 185

5.2.1　最坏情况的预期条件 186

5.2.2　温度降额系数 187

5.3　降额等级的划分 188

5.3.1　Ⅰ级降额 189

5.3.2　Ⅱ级降额 191

5.3.3　Ⅲ级降额 193

5.4　降额规则 195

5.4.1　电阻降额规则 195

5.4.2　电容降额规则 196

5.4.3　电感与变压器降额规则 198

5.4.4　晶体管降额规则 199

5.4.5　二极管降额规则 200

5.4.6　集成芯片降额规则 201

5.4.7　光电元件降额规则 203

5.4.8　开关降额规则 203

5.4.9　继电器降额规则 204

5.4.10　插接器降额规则 206

5.4.11　PCB 降额规则 206

5.4.12　振荡器和谐振器降额规则 207

5.4.13　电位器降额规则 208

5.4.14　光学元件降额规则 209

5.4.15　导线与电缆降额规则 210

5.4.16　电机降额规则 211

5.4.17　灯泡降额规则 211

5.4.18　断路器和熔断器降额规则 213

5.4.19　微波管降额规则 214

5.5　降额参考资源 215

5.6　降额过程 216

5.7　降额使用方法 217

5.8　降额和鲁棒性 218

5.9　考虑降额指南的不同方式 219

5.9.1　供应商降额指南 220

5.9.2　行业降额指南 220

5.9.3　过降额或欠降额的影响 221

5.9.4　电压与失效时间的关系 221

5.9.5　另一种绘制降额信息的方法 222

5.10　总结 224

第6 章　最坏情况电路分析 225

6.1　概述 225

6.1.1　最坏情况电路分析的目的 226

6.1.2　最坏情况电路分析的时机 227

6.1.3　最坏情况电路分析的程度 227

6.1.4　谁应该进行最坏情况电路分析/评审 228

6.1.5　利用最坏情况电路分析进行故障分析 228

6.1.6　最坏情况电路分析的降本增效 229

6.1.7　最坏情况电路分析的成本和进度安排 230

6.1.8　常发问题位置及因素 230

6.1.9　电气测试方法和限制 231

6.1.10　进行最坏情况电路分析的能力要求 232

6.2　WCCA 方法论 233

6.2.1　分析方法 233

6.2.2　灵敏度分析 234

6.2.3　参数EVA、RSS、MCA 分析 235

6.2.4　方法和模板 235

6.2.5　公差数据库设置 236

6.2.6　确定关键参数 237

6.2.7　处理定义不明确的公差 237

6.2.8　RSS 计算和应用 238

6.2.9　WCCA 示例: 三端稳压器 239

6.2.10　关联硬件WCCA 结果 243

6.3　最坏情况电路分析的对象与范围 244

6.3.1　最坏情况电路分析的对象 244

6.3.2　最坏情况电路分析的范围 244

6.3.3　最坏情况电路分析的层级 245

6.4　最坏情况电路分析的设计流程 246

6.4.1　最坏情况电路分析准备工作 246

6.4.2　关键电路识别工具 248

6.4.3　确定待分析电路 249

6.4.4　明确电路设计的基本参数 249

6.4.5　电路分割 250

6.4.6　最坏情况电路分析的作用 250

6.4.7　分析结果判别 251

6.5　WCCA 分析方法比较 251

6.6　最坏情况电路分析的前期数据准备工作 252

6.7　建立分析模型 253

6.8　出具最坏情况电路分析报告 254

电子组件的物理封装包括机械支持、电气连接、电源管理、热管理和环境管理等各个方面。这些功能对于保护电子元件并确保其正常运行至关重要。

通过采用可靠性物理和失效原理，可以分析评估设计承受其将遇到的工作应力的能力。 这种分析性评估将电子封装从主观艺术转变为客观科学。

应力是使用和环境负荷对设备及其材料的影响。当负荷施加到设备上或在设备内产生时， 它会导致设备材料和结构内的运动或应力分布。这种分布平衡了施加的力。

设备所经历的应变量受其尺寸、 形状和材料特性的影响，这些特性决定了其强度。 弹性、屈服强度和极限强度等材料特性是决定设备如何响应应力的重要因素。

物理应力的分析评估涉及评估设备结构中使用的材料的机械和热性能。这包括分析材料强度、抗疲劳性、热膨胀和散热能力等因素。

通过进行这些分析评估，可以识别物理封装设计中的潜在弱点或关注领域，如图3-1所示。这允许实施设计改进或修改，以确保设备能够承受预期的工作应力， 并在其预期的使用寿命内保持其可靠性。

在评估电子组件的可靠性时，重要的是要考虑设备应力的可能结果。这些结果可能会影响设备的性能和使用寿命， 必须考虑这些结果才能获得可靠的产品。

图3-1电子组件应力源无关紧要的应变：在某些情况下，施加应力产生的应变可以忽略不计，并且对设备没有显著影响。 这是所需的状态， 因为这意味着设备可以承受应力而不会产生任何不利影响。

电气特性变化： 应力会导致电气特性的变化， 例如电阻和电容。 这可能导致应力条件下电路性能发生变化。在不降低系统性能的情况下确定可以容忍的漂移量非常重要， 以确保元件能够保持其预期功能。

过应力失效：如果施加的应力超过材料的屈服点，则可能会触发失效机制，例如断裂、屈曲、过度变形、熔化或其他热事件。识别和评估这些故障机制以防止灾难性故障并确保设备的可靠性至关重要。

磨损失效： 当设备受到稳定应力或一系列应力循环时，材料内可能会发生增量损坏累积。 这种逐渐的分子分解会导致磨损失效机制， 如疲劳、 分层、蠕变、 腐蚀等。确定在发生磨损故障之前保持所需性能的耐久性时间段对于确保设备的可靠性和使用寿命至关重要。

为了解决这些潜在的结果， 可以采用耐久性和可靠性建模技术。这些技术包括评估设备承受应力的能力， 预测其使用寿命，并确定提高可靠性可能需要的任何设计或材料更改。

通过考虑这些潜在结果并采用适当的分析和建模技术，设计师和工程师可以更好地了解和减轻应力对电子组件的影响， 从而获得更可靠的产品。

3.1应力与强度概念

在工程中，应力和强度的概念，不仅适用于机械材料，也适用于电子元件。电子元件在工作过程中会受到各种外部力的作用， 包括机械应力、热应力和环境应力等。 因此，了解和评估电子元件的应力和强度是确保元件鲁棒性和性能的重要因素。

首先，应力与电子元件的机械鲁棒性密切相关。机械应力是指元件在组装、安装和运输过程中由于物理力量的作用而产生的应力。机械应力可能会导致元件的物理损坏、焊点断裂、引线脱落等问题。因此，在元件的设计和选择过程中，需要考虑元件的机械鲁棒性，并确保其能够承受所受到的机械应力。

其次， 热应力也是电子元件中常见的应力源。电子元件在工作过程中会产生热量， 而热量会引起元件的膨胀和收缩， 从而产生热应力。 热应力可能导致元件的材料疲劳、 焊点断裂、 内部结构破坏等问题。 因此，在元件的设计和布局中， 需要考虑热应力的影响， 并采取适当的散热措施和材料选择， 以确保元件能够在合适的温度范围内工作， 并抵抗热应力带来的影响。

此外， 环境应力也是电子元件需要考虑的因素之一。 环境应力包括湿度、温度变化、 振动和冲击等。 这些环境应力可能会导致元件的性能下降、 封装破裂、 电气连接松动等问题。 因此， 在元件的设计和选择中，需要考虑元件所处的工作环境， 并选择适用的元件封装和材料，以确保元件能够在相应的环境应力下正常工作。

在电子元件的设计和制造过程中， 需要进行应力和强度的分析和测试，以确保元件能够在各种应力条件下保持良好的性能和鲁棒性。 通过合理的设计、可靠的制造和适当的测试， 可以提高电子元件的应力容忍度和强度，从而提高电子组件的稳定性和鲁棒性。

3.1.1 PSA的定义和概述

元件应力分析（PartStressAnaIysis，PSA）是一种系统化的方法，用于评估和分析电子元件在实际工作条件下的应力水平。 它旨在识别元件的应力容限，预测元件的鲁棒性， 并为设计和制造团队提供应力优化和改进的方向。

在元件应力分析中， 首先需要了解元件的物理特性和工作环境。这可以包括元件的材料性质、 尺寸、 结构等方面的信息， 以及元件所处的温度、 湿度、振动等工作环境条件。 通过收集和分析这些信息，可以确定元件在工作过程中所受到的应力来源。

然后，使用数值模拟和实验测试等方法来评估元件在实际工作条件下的应力水平。数值模拟可以通过建立元件的有限元模型，考虑工作环境和负荷条件，来模拟元件的应力分布和变形情况。 实验测试可以通过应力传感器、应变计等工具， 直接测量元件在工作过程中所受到的应力。

基于应力分析的结果， 可以确定元件的应力容限。应力容限是指元件能够承受的最大应力水平， 超过该容限可能导致元件的失效或性能降低。通过对元件的应力容限进行评估， 可以判断元件在实际工作条件下的可靠性和鲁棒性。

最后， 根据应力分析的结果， 可以提出应力优化和改进的方向。 例如，可以通过改变元件的材料、 尺寸、 结构等方面的设计， 来减少元件的应力集中和应力水平， 提高元件的鲁棒性和可靠性。 此外， 还可以通过改进元件的制造工艺和组装方式， 来减少应力引入和应力集中的可能性。

3.1.2 PSA的方法和步骤

PSA通常包括以下步骤：

1）元件特性分析：首先，对要进行PSA的元件进行特性分析，包括电气特性、 材料属性和几何结构等。 这些信息是应力分析的基础。

2）应力源分析：PSA需要识别和分析元件所受的应力源。这包括内部应力源 （例如电流、 热量）和外部应力源（例如机械负荷、温度变化）。对应力源进行定量和定性分析， 以了解其对元件的应力影响。

3）应力分析和建模： 基于元件的特性和应力源的分析，进行应力分析和建模。这可以使用各种工程工具和软件进行，例如有限元分析（FEA）或计算流体动力学（CFD）等。

4）应力预测和寿命评估： 根据应力分析的结果，进行应力预测和寿命评估。 这可以通过应力应寿命模型、 可靠性预测方法和测试验证等来完成。

5）优化和改进措施：根据应力预测和寿命评估的结果，提出优化和改进措施， 包括设计优化、 材料选择、 工艺改进等，以减少元件的应力水平，提高其鲁棒性和性能。

3.1.3 PSA的关键参数和指标

参数和指标用于评估和量化元件的应力水平和鲁棒性。一些常见的关键参数和指标包括：

1）应力水平：用于表示元件所受应力的大小。可以根据不同应力源和应力类型来确定应力水平。

2）应力容限：表示元件能够承受的最大应力水平。应力容限是根据元件的设计和材料特性确定的。

3）鲁棒性指标： 用于评估元件的鲁棒性水平， 例如故障率、 可靠性指数等。 这些指标可以根据应力分析结果和鲁棒性模型进行计算和预测。

3.1.4 理想的应力与强度关系

理想情况下， 元件的应力应该远低于其强度， 如图 3应。 所示， 这意味着元件由于应力过大而导致失效的可能性很小。 然而， 在实际设计中， 完全表征产品每个元件的所有应力和所有强度通常是非常困难的， 很少有设计能够达到这种程度。

图 3-2 理想的应力与强度关系

在设计过程中，为了确保元件的安全可靠性，通常会考虑一系列设计原则和方法，包括以下几项：

经验和标准： 根据行业经验和相关标准，制定适用于特定应用的设计规范和要求。 这些规范和要求可以指导工程师选择合适的元件和材料，以及进行必要的应力分析和测试。

模拟和仿真：通过使用计算机辅助设计（CAD）和有限元分析（FEA）等工具， 可以对元件进行模拟和仿真， 以评估其在不同应力条件下的性能。 这可以帮助设计师优化元件的结构和材料选择， 并预测元件的应力水平。

实验和测试： 进行实验和测试是验证设计的重要手段。通过对元件进行负载测试、振动测试和温度测试等，可以验证元件在实际工作条件下的应力水平，并检验其可靠性。

尽管存在这些设计原则和方法，但完全表征产品每个元件的所有应力和所有强度通常是不现实的。 这是因为元件的应力受到多种因素的影响，包括使用环境、 运行条件和外部负荷等， 难以完全预测和模拟。

此外， 尽管元件的强度通常有标准值可供参考，但元件的实际强度可能会存在一定的偏差和不确定性。 这可能是由于制造过程中的变异、材料性能的差异或设计原则的限制等因素引起的。

3.1.5 实际的应力与强度关系

在实际设计中，工程师通常会采用一系列风险评估和容差设计的方法来处理这些不确定性。 这包括引入安全系数、 使用可靠的材料和制造过程、 进行充分的测试和验证等， 以确保元件在实际使用中具有足够的安全余量。

在设计中完全表征产品每个元件的所有应力和所有强度往往是困难的，但通过合理的设计原则、 模拟和测试方法，可以最大限度地确保元件的安全可靠性。 同时， 风险评估和容差设计也是必不可少的， 以处理不确定性和保证系统的性能和可靠性。

在实践中， 为了处理复杂的设计问题， 通常会缩小关键元件的列表， 并对这些元件执行应力和强度计算。 然而， 在某些情况下， 某些元件可能会承受高于其生存能力的应力水平。 为了评估元件失效的概率，研究人员可以考虑两条曲线之间的交点，这些曲线分别代表元件的应力分布和强度分布，如图所示。

通过计算这两条曲线之间的面积，研究人员可以得到应力高于强度的概率。这个概率可以用一个二重积分来定义。 在这个积分中，研究人员考虑的是应力分布和强度分布之间的重叠区域。

图3-3实际的应力与强度关系

如果研究人员将这个重叠的区域想象成一个曲线下面积，它可能是一个小的正态曲线。 这是因为应力和强度通常都服从正态分布。 在这种情况下， 研究人员可以使用统计学中的概率密度函数来计算该曲线下的面积，从而得到应力高于强度的概率。

这种方法可以帮助工程师评估元件的可靠性和寿命，并做出相应的设计决策。 通过考虑应力和强度之间的差距， 研究人员可以识别潜在的失效点， 并采取措施来降低失效的概率， 例如选择强度更高的元件、改进结构设计或增加安全系数。

3.1.6应力曲线和强度曲线分析方法

1、统计分析方法

通常情况下，应力曲线和强度曲线是未知的，研究人员需要通过实验和测试来获取这些数据。 然而， 在许多情况下， 只需稍加努力，研究人员就可以收集足够的数据来绘制应力和强度的直方图， 并以直观的方式评估它们之间的边距。

通过收集足够的样本数据， 研究人员可以将这些数据绘制成直方图，从而得到应力和强度的分布情况。 这些直方图可以显示数据的分布形状、均值和标准差等重要统计信息。

通过观察直方图， 研究人员可以直观地检查应力和强度之间的边距。如果两个分布之间有足够的边距， 即强度分布明显高于应力分布，那么元件的可靠性可能会更高。 反之， 如果两个分布之间的边距很小， 即强度分布接近或重叠于应力分布， 那么元件的可靠性可能会较低。

然而， 仅仅通过直方图进行观察可能无法提供准确的概率估计。在这种情况下， 研究人员可以使用统计工具来进行更深入的分析。 例如， 研究人员可以使用概率密度函数、分布拟合和统计模型来估计应用于低强度项目的强度概率。

通过使用这些统计工具， 研究人员可以更精确地计算强度应用于低应力项的概率。 这可以帮助工程师更好地评估元件的可靠性，并采取适当的措施来降低失效的概率。

2.工程分析方法

在实际应用中， 除了使用统计工具来评估元件的可靠性外， 研究人员还可以采用一系列工程方法来隔离可能需要详细应力和强度分析的元件。 这些方法包括工程判断、设计FMEA（失效模式与影响分析）、HALT（加速寿命测试）和原型失效等。

工程判断是基于工程师的经验和专业知识进行的决策过程。通过对设计的各个方面进行综合评估， 工程师可以识别出潜在的风险和问题，并将重点放在可能需要进一步分析的元件上。

设计FMEA是一种系统的方法， 用于识别和评估设计中的潜在失效模式及其可能的影响。 通过对设计进行细致的分析， 包括元件的应力和强度特性， 研究人员可以确定哪些元件可能需要进行详细的应力和强度分析。

HALT是一种加速寿命测试方法，旨在模拟产品在实际使用中可能遇到的应力。 通过对元件在加速条件下进行测试，研究人员可以识别出潜在的失效模式，并进一步评估其强度和可靠性。

原型失效是通过制造和测试原型来观察和记录元件的失效情况。通过对失效进行分析， 研究人员可以识别可能需要进一步进行应力和强度分析的元件，并确定适当的设计改进措施。

即使在没有足够数据来绘制应力曲线和强度曲线的情况下，这些方法仍然适用于做出设计决策。设计或降额指南和最佳实践可以帮助团队在初始设计阶段为元件提供足够的设计余量。这些指南和实践经验可以帮助工程师在设计过程中做出合理的假设并采取相应的措施， 以确保元件能够满足要求，并具有良好的可靠性。

3.1.7 时间的影响

在实际应用中，材料的降解、蠕变或变脆是导致产品失效的常见原因之一。这些因素可以导致金属生锈、 触点腐蚀、 PN结边界模糊等问题。

当产品开始投入使用时， 它可能在理想的应力范围内运行，但随着时间的推移， 应力可能会超过材料的承受能力， 导致失效。 强度曲线可以简单地向应力曲线移动， 或者它可能会扩大曲线的传播。 无论是哪种情况， 都会增加发生失效的概率。

此外， 应力曲线并不是静态的。 产品在使用过程中会不断暴露在更恶劣、更苛刻的环境中， 这可能导致应力曲线的变化。 例如， 产品可能在高温、高湿度或腐蚀性环境中运行， 这会增加材料的应力并加速失效的可能性。

因此，研究人员需要意识到产品的可靠性不仅仅取决于初始设计时的应力和强度关系， 还取决于产品在实际环境中的应力和材料的耐久性。为了最大限度地提高产品的可靠性， 研究人员需要考虑这些因素，并在设计和工程决策中加以考虑。

3.1.8 PSA流程

元件应力分析（PSA）的一般流程如图3-4所示。首先，工程师需要了解产品和组成电路所安装的现场应用范围。 在组织内， 根据以往产品的经验教训，将其纳入分析中进行适当的改进。 使用各种数值方法， 结合电路模拟工具， 进行开发性能规格与模型行为之间的比较。 如果需要修改， 将进行回归分析。 只有当设计余量足够时， 电路才会被实施。

图3-4 元件应力分析（PSA）流程

在进行PSA时，首先，工程师需要了解产品和组成电路的现场应用范围。这可以帮助他们确定分析的重点和关注的性能指标。 之后， 工程师会考虑以往产品的经验教训， 并将其纳入分析中， 以避免重复的错误或问题。

在分析过程中，工程师会使用各种数值方法和电路模拟工具来进行开发性能规格和模型行为之间的比较。这可以帮助他们确定电路在不同工作条件下的性能范围， 并了解可能的风险和挑战。

如果在比较中发现性能规格和模型行为之间存在差异或不符合要求，工程师就需要进行修改。这可能涉及对电路参数或设计进行调整，以满足性能规格。在进行修改之前， 工程师还会进行回归分析。 这可以帮助他们确定所做的修改是否能够改进电路的性能，并确保设计余量充足。

最后， 在确保设计余量足够的情况下， 工程师将实施电路。 这意味着他们已经确定了最坏情况下的性能边界，并且电路的设计可以在各种场景下正常工作。

内容简介

本书以汽车电子硬件为背景，层层递迚地引入失效物理场分析、元件选型、应力分析、参数趋势分析、降额设计和最坏情况电路分析等内容。通过这些内容，读者将深入了解如何分析、预测和解决汽车电子系统中的故障和挑战。在每个章节中，还加入了丰富的示例和案例研究，以帮助读者更好地理解和应用所学内容。

本书适合对汽车电子硬件以及技术感兴趣的读者，无论是开发者、设计者、科研工作者还是刚入门的技术人员，均可将本书作为学习参考用书。本书还适合有相关知识背景的从业人员迚行深入学习。

点击以下链接购买

https://mp.weixin.qq.com/s/bSQvf9bxh3SLaTkvY5kQkA

作者简介：高宜国一位在汽车行业从业十多年的资深人士，涉足的领域包括汽车电子器件、汽车电子电路设计、汽车电子鲁棒性设计（DFR）、汽车电子卓越设计（DFX）和汽车电子最坏情况电路分析（WCCA）。作者有个人公众号汽车电子工程知识体系(AEEBOK)，在公众号上将自己的经验和见解整理成文章，内容涵盖了电子器件的选择和应用、电路设计的方法和技巧、测试和可靠性设计的知识点等。希望自己的公众号能够成为广大汽车电子工程师和学习者学习和交流的平台 ，也希望能为汽车行业提供有价值的信息和指导。

本书由机械工业出版社出版，本文经出版方授权发布。