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。
《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
3.3 应力类型
3.3.1 机械应力分析
机械应力分析是针对材料或结构在机械负荷下受到的应力进行的一种分析。其目的是确定材料或结构在不同负荷条件下的应力分布和变化情况，以评估其可靠性和耐久性。
在机械应力分析中，主要关注以下几个方面：
弯曲应力分析：当材料或结构受到弯曲负荷时，会在其表面和内部产生弯曲应力。弯曲应力的分布和变化情况对材料或结构的弯曲强度和刚度有重要影响。 通过模拟弯曲负荷对材料或结构的影响， 可以确定弯曲应力的分布情况。
拉伸和压缩应力分析：材料或结构在受到拉伸或压缩负荷时，会在其表面和内部产生拉伸或压缩应力。拉伸和压缩应力的分布和变化情况对材料或结构的强度和变形性能有重要影响。通过模拟拉伸和压缩负荷对材料或结构的影响，可以确定拉伸和压缩应力的分布情况。
剪切应力分析： 当材料或结构受到剪切负荷时，会在其表面和内部产生剪切应力。剪切应力的分布和变化情况对材料或结构的剪切强度和形变性能有重要影响。 通过模拟剪切负荷对材料或结构的影响，可以确定剪切应力的分布情况。
疲劳应力分析： 长期的循环负荷会引起材料或结构的疲劳破坏。疲劳应力是指在循环负荷下产生的应力。 通过模拟负荷循环对材料或结构的影响，可以评估其疲劳寿命和可靠性。
通过机械应力分析， 可以了解材料或结构在不同负荷条件下的应力情况，并评估其在实际使用中的可靠性和耐久性。 这有助于设计和优化材料或结构，以提高其强度、 刚度和耐久性， 并预测其在特定负荷条件下的寿命。
3.3.2热应力分析
热应力分析是针对材料在温度变化下受到的内部应力进行的一种分析。其目的是确定材料在不同温度条件下的应力分布和变化情况，以评估其可靠性和耐久性。
在热应力分析中，主要关注以下几个方面：
热膨胀：材料在受热时会膨胀，受冷时会收缩。由于不同部分的温度变化不一致，不同部分之间会产生应力。热膨胀系数是描述材料热膨胀性质的重要参数， 通过模拟温度变化对材料的热膨胀影响， 可以确定热应力的分布情况。
温度梯度： 材料在温度变化时， 不同部分的温度变化可能会存在梯度。 温度梯度会导致材料内部的热应力分布不均匀， 从而产生内部应力。通过模拟温度梯度对材料的影响， 可以确定热应力的分布和变化情况。
热传导： 热传导是材料在温度变化下的重要因素。不同部分的温度变化速率不同， 热传导会导致材料内部出现温度和热应力的梯度。通过模拟热传导过程， 可以了解材料中热应力的分布情况。
热疲劳：由于温度变化引起的热应力往往会导致材料的疲劳行为。当材料在温度循环负荷下经历不断的热膨胀和收缩时，可能会导致热疲劳破坏。通过分析热应力对材料的影响，可以评估材料在热循环负荷下的可靠性和耐久性。
通过热应力分析， 可以了解材料在不同温度条件下的应力情况，并评估其在实际使用中的可靠性和耐久性。这有助于设计和优化材料，以提高其热稳定性和耐热性，并预测其在特定温度条件下的寿命。
在热应力分析中， 主要目的是确定功耗自热对机电模块的影响。通过热分析， 可以预测模块的最高温度以及各个组件的温度。这对于了解模块在不同功率和使用负荷条件下以及外部环境加热条件下的耐受性非常重要，尤其是在车辆等环境中。
热应力分析的建模和仿真任务包括模拟功耗消耗自加热的情况，并分析导线和电路走线的热分布情况。 通过这些分析， 可以确定模块的热应力情况， 了解模块在各种工作条件下的温度变化和热应力分布情况。
建议在不同条件下进行热应力分析建模仿真， 包括额定运行条件、超负荷条件、 最坏情况运行条件以及短路条件。这些条件下的功率模型可以作为热应力模型的输入， 从而更准确地分析热应力情况。
通过热应力分析， 可以评估模块的热稳定性和可靠性，并提供设计优化的指导。 这对于确保模块在各种工作条件下能够稳定运行非常重要，同时也有助于延长模块的使用寿命。
3.3.3 电应力分析
电应力分析是针对电子组件中的电流和电压应力进行的一种分析。该分析的目的是确定电子组件中电流和电压的分布情况，以评估设备在不同电源和使用负荷条件下的电应力情况。 电应力分析主要关注以下几个方面：
电流路径分析： 通过模拟电流在电路板上的传输路径，可以确定电流在不同元件和导线中的分布情况。 这有助于了解电流密度和热量的分布，从而评估电路板和组件的电应力。
电压分析： 通过模拟电压在电路板和其他组件上的传输情况，可以确定电压在不同元件之间的分布情况。 这有助于了解电压梯度和电场强度的分布，从而评估电路板和组件的电应力。
电热耦合分析： 在电应力分析中， 通常还需要考虑电热耦合效应。 电流通过电阻产生热量， 这会导致温度升高并对电路板和组件产生影响。通过将电流密度和电阻与热传导和热辐射效应相结合， 可以进行电热耦合分析，评估电路板和组件在电热耦合环境下的电应力。
电磁干扰分析： 电子组件中的电流和电压也可能会引起电磁干扰。通过电磁场分析， 可以确定电流和电压在设备周围和其他干扰源之间的相互作用，并评估电磁干扰对设备性能和电应力的影响。
通过电应力分析，工程师可以了解电子组件在不同工作条件下的电应力情况， 并评估其耐久性和可靠性。 这有助于设计和优化电路板和组件， 从而提高设备的性能和寿命。
电应力仿真与建模是指对电子元件或电气系统中的电场分布和电流分布进 行建模和仿真分析的过程。 以下是关于电应力建模与仿真的展开：
1）电应力建模：
几何建模： 对电子元件或电气系统的几何形状进行建模， 包括导线、 电路板、 电容等的形状和尺寸。
材料属性建模：为每个元件指定相应的材料属性，例如电导率、介电常数、热膨胀系数等。
电路建模： 将电子元件之间的电路连接关系进行建模， 包括电阻、 电容、电感等元件的连接方式和数值。
2）电应力仿真：
输入条件定义：为仿真模型指定相应的输入条件，例如电压、电流、频
率等。
电场分布分析：通过数值方法（如有限元法）计算模型中的电场分布情况，包括各个元件内部和周围的电场强度。
电流分布分析： 通过数值方法计算模型中的电流分布情况， 包括导线、 电路板等的电流密度分布。
电应力分析： 基于电场和电流分布， 计算模型中的电应力分布情况， 包括电场强度引起的电应力、 导线中的电流引起的磁场应力等。
3）输入条件：
几何信息：电子元件或电气系统的几何形状、尺寸和位置。
材料属性：各个元件的材料属性，包括电导率、介电常数等。
输入电压、电流和频率：用于定义电应力仿真模型中的输入条件。
4）结果分析：
电场分析：分析模型中的电场分布情况，检查是否满足设计要求，避免电
场过强引起的击穿或电弧放电问题。
电流分析： 分析模型中的电流分布情况，检查导线或电路板上的电流密度是否超过承载能力。
电应力分析：分析模型中的电应力分布情况，检查是否存在过高的电应力引起的机械破坏或失效。
5）结果优化：
几何结构优化：根据仿真结果进行几何结构的优化设计，例如调整导线宽度、 间距等，以减少电应力集中。
材料选择优化： 根据仿真结果选择合适的材料，以提高材料的电绝缘性能或导电性能。
电路优化：根据仿真结果优化电路连接方式，以提高电流分布均匀性或降低电压降。
电应力仿真与建模可以帮助评估电子元件或电气系统在不同工况下的电场 分布和电流分布情况， 并预测电应力的分布。 通过优化设计和材料选择， 可以改善电子元件或电气系统的性能和可靠性， 确保其安全运行。
3.3.4 化学应力分析
化学应力分析是针对材料中由于化学反应引起的内部应力进行的分析。它的目的是确定材料在不同化学环境下的应力分布和变化情况，以评估材料的可靠性和耐久性。
在化学应力分析中，主要关注以下几个方面：
化学反应： 首先需要了解材料所处的化学环境以及可能发生的化学反应。这包括材料与周围环境中气体、 液体或其他物质之间的相互作用。根据化学反应的类型和速率， 会产生物质的扩散、 吸附、 溶解等现象，从而引起材料中的化学变化。
应力分析： 通过模拟化学反应对材料内部的应力产生的影响，可以确定材料中的化学应力分布。化学反应引起的材料体积的变化或化学物质的扩散会导致内部应力的分布不均匀。这些应力可以通过数值模拟或实验测试来进行分析和测量。
力学性能： 通过分析化学应力， 可以评估材料的力学性能， 如强度、刚度和韧性等。 化学应力可能导致材料的破裂、 变形或腐蚀等问题， 因此，了解化学应力的分布和变化情况对于设计和优化材料的性能至关重要。
可靠性评估： 通过化学应力分析，可以评估材料在特定化学环境下的可靠性和耐久性。 这有助于预测材料在实际使用条件下的寿命，并采取适当的措施来延长材料的使用寿命。
3.3.5 环境应力分析
环境应力分析是针对材料或结构在特定环境条件下受到的外部应力进行的 一种分析。其目的是确定材料或结构在不同环境条件下的应力分布和变化情况，以评估其可靠性和耐久性，环境应力分析的考虑因素如图3-8所示。
环境应力分析主要关注以下几个方面：
温度应力分析： 温度是材料或结构受到的最常见的环境应力之一。温度的变化会导致材料或结构的热膨胀或收缩， 从而产生内部应力。通过模拟温度变化对材料或结构的影响， 可以确定温度应力的分布情况。
湿度应力分析： 湿度是另一个常见的环境应力来源。湿度变化会导致材料中的水分的吸收或损失， 从而引起体积的变化和应力的产生。 湿度应力分析可以帮助评估材料在潮湿或干燥环境下的性能和耐久性。
图3-8 环境负荷的树分析
化学腐蚀应力分析： 某些环境条件下， 如酸性、 碱性或盐性环境，会引起材料的腐蚀反应。 化学腐蚀会导致材料表面的损坏和质量的损失，从而产生应力。 通过分析化学腐蚀对材料的影响，可以确定材料在特定环境下的应力分布情况。
振动应力分析： 振动是一种常见的环境应力形式，特别是对于结构和机械系统来说。 振动引起的应力可以导致材料疲劳、 断裂或变形。 振动应力分析可以帮助评估材料或结构在工作环境中的可靠性和耐久性。
通过环境应力分析， 可以了解材料或结构在不同环境条件下的应力情况，并评估其在实际使用中的可靠性。 这有助于设计和优化材料或结构，以提高其性能和耐久性， 并预测其在特定环境条件下的寿命。
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。
来源：汽车测试网
