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
3.6 应力比
应力比是一个重要的概念，用于评估和预测电子元件和产品的鲁棒性。
应力比的定义：应力比是指所施加应力的最大值与元件或产品的设计极限之间的比值。 它是通过对收集到的应力数据进行分析和计算得出的。应力比可以用来评估元件或产品在特定应力条件下的鲁棒性，以及其在实际使用中的寿命和失效机会。
应力比的计算：应力比的计算通常基于所施加应力的最大值和元件或产品的设计极限。设计极限是指元件或产品在能够承受的最大应力或负荷下的性能限制。通过将所施加应力的最大值与设计极限进行比较，可以得出应力比的值。应力比的计算还可以考虑脉冲负荷和其他参数值，以更准确地评估鲁棒性和预测失效概率。
应力比的应用：应力比的值可以用来确定元件或产品在特定应力条件下的鲁棒性水平。较低的应力比表示元件或产品在所施加应力下具有更大的安全余量， 更可靠且具有较长的寿命。 相反， 较高的应力比可能意味着元件或产品在所施加应力下的鲁棒性较低， 存在失效的风险。 通过对应力比进行评估， 设计和工程团队可以采取适当的措施来优化设计， 减少失效机会， 并提高鲁棒性。
应力比与鲁棒性模型：应力比的值通常与鲁棒性模型（如MIL-HMBK-217和 IEC 62380等）中所需的参数相对应。 鲁棒性模型是一种数学模型， 用于描述元件或产品在特定应力条件下的鲁棒性。 通过将应力比与鲁棒性模型相结合，可以进行失效概率的计算和鲁棒性分析。这有助于设计团队预测元件或产品的寿命， 并评估其在实际使用中的鲁棒性。
应力比（SR）是一个用来评估组件或系统在实际应力下的可靠性的指标。它通过将最大可接受应力与额定值进行比较来衡量该组件或系统的鲁棒性。
25V=54.4%。根据设计规则，最大应力比将作为初始鲁棒性计算的默认值。
应力比的目的是确保组件或系统在实际使用中能够承受的应力不超过其额 定值的一定比例。 通过使用应力比计算，可以评估组件或系统在特定应力下的可靠性， 并选择合适的元件或采取适当的措施来保证其鲁棒性。
需要注意的是， 应力比仅是一个指标，实际的鲁棒性计算可能还需要考虑其他因素， 如环境因素、 温度变化等。 因此，在进行鲁棒性计算时，应综合考虑多个因素， 并根据实际情况进行评估和决策。
3.6.1质量信息
质量信息在元件应力分析中发挥着重要的作用，以下是关于质量信息在元件应力分析中的作用和所需的辅助信息：
质量等级信息： 元件的质量等级反映了其质量和鲁棒性水平。具有质量等级信息的元件， 如微电子元件、 分立半导体元件、 有鲁棒性要求的电阻器和电容器， 可以使用质量因子来评估其鲁棒性。不同质量等级的元件的失效率可能会有所差异。 因此， 在应力分析中， 考虑元件的质量等级可以更准确地估计其鲁棒性。
其他元件的质量假设： 对于其他元件， 如非电元件， 如果它们是按照相应的元件规范生产的， 可以假设其质量因子为1。这意味着这些元件的质量水平可以视为符合规范要求， 没有额外的质量影响。
失效率信息来源： 元件应力分析所使用的失效率信息可以选择使用IEC 62380 标准或其他可靠的数据来源。这些失效率数据提供了元件在不同应力条件下的失效率估计。 在选择失效率数据时，应确保这些数据经过了原始设备制造商（OEM）的认可，以确保其准确性和鲁棒性。
除了质量信息，元件应力分析还需要以下辅助信息：
1）特定的元件种类：不同种类的元件在应力条件下的性能和鲁棒性可能有所不同。因此，应力分析需要了解具体的元件种类，包括微电子元件的复杂度。这样可以考虑其特定的应力特征， 并进行相应的分析和评估。
2）元件数量：元件数量对于评估整个系统的鲁棒性至关重要。应力分析需要知道系统中使用的元件数量， 以计算整个系统的鲁棒性水平。大量的元件可能增加系统的失效率， 因此需要对元件数量进行准确的评估。
3）元件质量水平： 除了质量等级信息外， 还需要了解元件的质量水平。元件的质量水平可能会对其鲁棒性产生影响。高质量的元件通常具有更低的失效率， 因此需要考虑它们的质量水平， 以准确评估其失效率。
4）产品工作环境（使用因素）：产品的工作环境是元件应力分析的重要考虑因素。 不同的工作环境会施加不同的应力和使用因素， 对元件的鲁棒性产生影响。 因此， 需要详细了解产品的工作环境， 以确定适当的应力条件和相应的失效率数据。
3.6.2 应力比
应力比是一种用于电子元件和产品的初步可靠性预测的方法。它是通过将元件或产品的应力与其可承受的强度进行比较来评估其可靠性。
应力比的计算方法是将元件或产品的应力除以其可承受的强度。这个比值可以告诉工程师应力相对于强度的大小， 从而评估元件或产品的可靠性。
通常，应力比被定义为安全应力与应力极限之比。安全应力是指元件或产品在正常工作条件下所受到的应力， 应力极限是指元件或产品所能承受的最大应力。
应力比的计算公式如下：应力比应安全应力安（额定）应力极限
应力比的值在0-1之间，表示元件或产品所受应力相对于其强度的比例。如果应力比接近于1， 意味着元件或产品所受应力接近其强度极限，可能存在较高的失效风险。 相反， 如果应力比接近于0， 意味着元件或产品所受应力远低于其强度， 可靠性较高。
通过计算应力比， 工程师可以初步预测电子元件或产品的可靠性，并采取相应的措施来降低失效的风险。然而，需要注意的是，应力比仅仅是一个初步的可靠性预测指标， 实际的可靠性还需要考虑其他因素， 如环境条件、 材料质量等。因此， 在进行可靠性评估时， 应综合考虑多个因素来获得更准确的预测结果。
3.6.3 示例
鲁棒性设计和最佳实践是一种通过综合供应商、 专业知识、 第三方研究机构和国际电工委员会（IEC）标准（如IEC 62380）以及汽车制造商的建议，提供关于最大应力建议的详细信息的方法。以下是这些来源对鲁棒性设计的建议和最佳实践的贡献：
供应商（S）：供应商在元件和材料方面拥有专业知识和经验，可以提供关于元件的最佳选择和性能评估的建议。 他们可以根据其供应的元件的特点和质量水平， 以及其应用和使用条件， 为鲁棒性设计提供关键建议。
专业知识（E）：电子专家中心汇集了电子领域的专业知识，可以提供关于鲁棒性设计的专业建议。 他们了解电子系统和组件的工作原理、性能特征和失效模式， 并能够根据设计需求和约束提供相应的建议和指导。
第三方研究机构（R）：第三方研究机构进行独立的研究和评估，可以提供关于元件鲁棒性和性能的科学数据和实证结果。他们的研究可以基于大规模的测试和分析， 以验证元件在不同应力条件下的性能， 并为鲁棒性设计提供依据和建议。
IEC 62380（C）：IEC62380是一项国际标准，提供了关于电子元件可靠性预测和评估的指导。 它包含了关于元件失效率、失效模式和可靠性预测方法的规定。 遵循这一标准可以帮助设计团队进行鲁棒性评估，并采取相应的措施来提高系统的鲁棒性。
汽车制造商（CM）：汽车制造商在汽车电子系统的设计和生产方面具有丰富的经验。 他们可以提供关于汽车应用环境和要求的专业知识， 以及对元件和系统的性能和鲁棒性的要求。 通过与汽车制造商合作， 设计团队可以获得针对特定汽车应用的鲁棒性设计建议和最佳实践。
综合以上来源的建议和实践，可以制定出鲁棒性设计的指导原则和行动计划， 以确保电子系统和组件在各种应力条件下的鲁棒性和性能。这些建议包括元件选型、 设计方法、 应力分析、 测试和验证等方面，旨在最大限度地提高系统的鲁棒性。
3.6.4不同的应力类型导致的失效
应力类型通常是指在电子元件和产品中对其造成应力的各种环境和操作条 件。 不同的应力类型会导致不同类型的失效。以下是对每种应力类型导致的失效的示例：
低温应力导致的失效： 在低温环境中， 材料容易变脆， 可能会发生断裂、裂纹扩展等失效。 此外， 低温还会引起热胀冷缩不匹配， 导致焊点断裂、接触不良等问题。
高温应力导致的失效： 高温环境下，材料的力学性能和化学稳定性可能会降低， 导致材料的蠕变、 熔化、 氧化等失效。高温还会引起热膨胀不匹配，导致焊点开裂、 金属疲劳等问题。
温湿应力导致的失效： 温湿环境下， 材料可能会受到腐蚀、 气体介质的侵蚀， 导致材料的化学性能降低。 此外， 温湿还会引起热胀冷缩不匹配，导致焊点腐蚀、 电介质击穿等问题。
热循环应力导致的失效：热循环应力会导致材料在高温和低温循环中的热胀冷缩不匹配， 引起焊点开裂、 金属疲劳、 绝缘材料断裂等失效。
振动应力导致的失效：振动应力会导致材料的疲劳破坏和松动，引起焊点断裂、接触不良、元件松动等失效。
机械冲击应力导致的失效： 机械冲击应力可能导致材料的断裂和破坏，引起焊点断裂、 元件脱落等失效。
开关循环应力导致的失效：频繁的开关操作会引起材料的疲劳破坏，导致焊点断裂、接触不良等失效。
组合应力导致的失效： 当不同的应力类型同时作用时，会增加元件和产品失效的风险。 例如， 低温低电压组合、 低温开关组合、 振动温度组合等。 组合应力会导致多种失效机制同时发生，如焊点开裂、材料脆化、接触不良等。
电气应力导致的失效：电流或电压的施加会导致电介质击穿、电子迁移、电线间短路等电器性能失效。
温度、 湿度、 气压组合导致的失效： 同时受到温度、湿度和气压变化的应力可能导致材料的膨胀、 腐蚀、 气体介质的损害等失效。
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
