汽车电子设计：鲁棒性设计_应力分析的应用

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。

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。

3.7 应力分析的应用

3.7.1应力分析在元件选型和评估中的应用

在设计阶段， 选择合适的元件对电子产品的性能和鲁棒性至关重要。通过应力分析， 可以评估不同元件的应力容限和鲁棒性，以帮助设计团队选择最合适的元件。 应力分析可以预测元件在实际工作条件下的应力水平，并比较不同元件的性能。 这有助于降低设计风险， 提高产品的鲁棒性和性能。

在设计阶段进行应力分析可以帮助设计团队识别元件的应力容限，即元件能够承受的最大应力水平。 通过评估元件的应力容限，可以确定哪些元件能够在实际工作条件下稳定运行，而哪些元件可能会因为应力过大而导致故障或性能下降。对于关键的电子产品，选择具有较高的应力容限的元件是至关重要的，以确保产品的可靠性和长寿命。

应力分析还可以比较不同元件的性能和鲁棒性。通过预测元件在实际工作条件下的应力水平， 可以对比不同元件之间的应力分布和变形情况。这有助于设计团队了解不同元件的应力承受能力和稳定性，并选择最适合产品需求的元件。 例如， 在高温环境下工作的电子产品中， 选择具有较好热稳定性和耐高温特性的元件可以提高产品的可靠性和性能。

通过应力分析， 设计团队可以降低设计风险并提高产品的鲁棒性和性能。在设计阶段选择合适的元件， 可以避免因为元件应力过大而导致的故障和性能下降。此外， 合理选择元件可以提高产品的稳定性和可靠性， 减少维修和更换的需求。

3.7.2 应力分析在电路板布局和设计中的应用

电路板布局和设计对元件的应力分布和传递起着重要作用。通过应力分析，可以评估电路板上不同区域的应力水平，并根据这些结果进行布局和连接优化。应力分析可以帮助设计团队避免应力集中区域， 减少应力对元件的影响，提高电路板的鲁棒性和性能。 此外， 还可以通过应力分析指导电路板材料的选择，以满足应力容限的要求。

在电路板设计中， 应力分析可以帮助确定元件的布局和连接方式，以减少应力集中区域。 应力集中可能会导致元件的应力超过其容限，从而引起故障或性能下降。通过应力分析，设计团队可以识别潜在的应力集中区域，例如焊点、接插件或电路板的弯曲区域。 然后， 可以通过重新布局元件或优化连接方式，将应力更均匀地分布到整个电路板上， 减少应力对元件的影响。

此外， 应力分析还可以指导电路板材料的选择。不同的材料具有不同的应力容限和机械性能， 因此在选择电路板材料时需要考虑应力分析的结果。通过应力分析， 可以确定元件在实际工作条件下可能受到的应力水平，并选择具有适当应力容限的材料。 这样可以确保电路板在实际工作条件下能够承受应力，提高电路板的可靠性和鲁棒性。

3.7.3 应力分析在封装和连接技术中的应用

封装和连接技术是电子组件组装和焊接的关键环节。应力分析可以帮助评估不同封装和连接技术对元件的应力影响。 通过应力分析，可以确定最适合元件的封装和连接方法， 以减少应力引起的失效风险。应力分析可以指导焊接工艺的优化， 减少焊接应力和热应力对元件的影响。这将提高封装和连接的鲁棒性， 减少元件失效的风险。

在封装选择方面，应力分析可以帮助确定最适合元件的封装类型和尺寸。不同的封装类型和尺寸在焊接和使用过程中会受到不同的应力。通过应力分析，可以评估不同封装类型和尺寸对元件的应力影响，并选择相对较低的应力封装。这有助于降低元件在组装和使用过程中的应力水平，减少应力引起的失效风险。

在连接技术方面， 应力分析可以指导焊接工艺的优化。焊接过程中会产生应力和热应力， 这可能对元件造成损害。 通过应力分析， 可以评估不同焊接工艺对元件的应力影响， 并找到最优的焊接参数和工艺，以减少应力对元件的影响。 例如， 通过调整焊接温度、 焊接时间和焊接压力等参数，可以减少焊接应力和热应力的影响， 提高连接的鲁棒性。

通过应力分析， 设计团队可以选择最适合元件的封装和连接技术，以减少应力引起的失效风险。 这有助于提高封装和连接的鲁棒性，减少元件失效的风险。 在电子产品的设计和组装过程中， 应力分析是必不可少的工具， 可以提高产品的可靠性和性能， 降低维修和更换的需求。 因此， 应力分析在电子组件的封装和连接方面具有重要的应用价值。

图3-11所描述的内容强调了在设计印制电路板 （PCB）时，应避免将球栅阵列 （bga）元件放置在的中心区域。 这一建议主要是基于以下考虑：

1）弯曲和压缩问题：当PCB受到外部力量时，比如在装配过程中或使用中，PCB可能会发生弯曲。 如果 BGA位于PCB中心，  它将直接承受这些弯曲力， 可能导致 BGA焊点断裂或元件损坏。

2）热管理：中心位置可能不利于热量的散发，因为热量需要通过 B传导到边缘才能被散热系统带走。这可能导致BGA元件过热，影响其性能和寿命。

3）机械应力： 放置在中心的 BGA可能会成为机械应力的集中点， 特别是在PCB受到压缩或弯曲时。这种应力可能导致 BGA焊点的疲劳断裂，影响整个电路板的可靠性。

4）装配和维修： 中心位置的 BGA可能会给装配和维修带来困难， 因为它可能阻碍对PCB上其他元件的访问。此外，中心位置可能不利于自动化装配流程， 增加生产成本。

5）信号完整性：BGA放置在中心可能会影响信号的传输路径，特别是在高速设计中。这可能会增加信号的传输延迟，影响信号完整性。

因此， 为了提高PCB的可靠性和性能，通常建议将 BGA放置在PCB的边缘区域， 这样可以更好地管理热量、 减少机械应力、 简化装配和维修过程， 并优化信号完整性。

图 3-12 强调了在设计和制造过程中选择合适的安装策略的重要性，以确保产品的质量和可靠性。 偏移安装在检测和返工方面更为简单，而镜像安装则面临更多的挑战。

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。

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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。