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技術(shù)專(zhuān)題
有關(guān)振動(dòng)疲勞的PCB設計注意事項
在PCB設計中，我們要注意到振動(dòng)的影響，且在設計中時(shí)要考慮振動(dòng)疲勞，不然PCB電路板的壽命不會(huì )長(cháng)久。盡管許多電路板將在一個(gè)位置放置而不會(huì )產(chǎn)生過(guò)多的運動(dòng)，但是其他電路板則用于承受較大運動(dòng)范圍的應用中。這些設備可以是任何東西，從小型玩具到復雜的航天器。盡管某些板可能實(shí)際上并未在任何地方移動(dòng)，但它們仍會(huì )受到制造應力，熱變化甚至受挫的用戶(hù)打耳光的震動(dòng)的影響。為了解決這個(gè)問(wèn)題，PCB設計人員需要了解他們創(chuàng )建的設計中振動(dòng)疲勞的基本知識，以及如何解決這些影響。這里有一些想法應該有所幫助。
環(huán)境應力和振動(dòng)疲勞
據估計，多達20％的印刷電路板故障是由于振動(dòng)和沖擊造成的。盡管這些數字最初是由空軍引用的，但許多其他行業(yè)也報告了類(lèi)似的發(fā)現。這強調了PCB設計以更好地承受隨機振動(dòng)疲勞應力的重要性。對于將要用于更容易產(chǎn)生振動(dòng)和沖擊的環(huán)境（如航空航天應用）的電路板，這一點(diǎn)變得尤為重要。
盡管電路板的核心材料（例如FR-4）在振動(dòng)和沖擊的壓力下表現相當好，但焊接到其上的電子組件卻不能說(shuō)相同。由于振動(dòng)會(huì )導致板彎曲，因此其組件上的引線(xiàn)會(huì )因其剛度和拉伸而斷裂。焊料還容易受到振動(dòng)應力的影響，并可能斷裂，從而導致引線(xiàn)與電路板斷開(kāi)連接。長(cháng)時(shí)間內即使很小的振動(dòng)也會(huì )導致元件引線(xiàn)和焊接連接的疲勞。如果沒(méi)有適當的PCB設計實(shí)踐，焊點(diǎn)可能會(huì )因振動(dòng)疲勞而破裂。
PCB制造應力可能會(huì )導致振動(dòng)疲勞
導致振動(dòng)疲勞失效的另一個(gè)因素是電路板在制造過(guò)程中承受的應力。組件引線(xiàn)和焊接點(diǎn)都容易受到熱沖擊，因此良好的印刷電路板制造設計（DFM）工藝對于應對這些影響至關(guān)重要。一旦這樣的例子就是在PCB上設計焊盤(pán)，以使組件引線(xiàn)能夠正確地焊接到其上。
PCB設計不良的焊盤(pán)可能導致焊料無(wú)法正確地填入表面安裝引線(xiàn)，或將焊料芯吸到遠離通孔焊盤(pán)的位置。這些情況可能導致零件的焊接連接不良。例如，在較大的散熱墊上，通過(guò)未覆蓋通孔的焊錫芯吸會(huì )阻止設備的接地引腳獲得良好的焊錫連接。該零件可能會(huì )經(jīng)過(guò)制造和測試，但由于振動(dòng)使原本已經(jīng)很薄的焊點(diǎn)磨損而在現場(chǎng)的某些時(shí)候容易出現間歇性或全部故障。
你可以采取什么措施來(lái)防止振動(dòng)疲勞？
消除振動(dòng)疲勞的第一步是設計可靠性（DFR）。這是在構建電路板之前的設計階段中確保PCB可靠性的過(guò)程。此過(guò)程的一部分將在設計中納入良好的DFM慣例。你的PCB制造商可以幫助你為零件創(chuàng )建正確的焊盤(pán)和封裝尺寸，并為你提供設計規則，使你可以按照相關(guān)IPC類(lèi)進(jìn)行PCB設計。DFR的另一部分是使用仿真工具來(lái)預測設計中可能發(fā)生故障的位置，以便你可以進(jìn)行相應的更改。
每天都會(huì )引入新技術(shù)，以應對設計振動(dòng)疲勞和進(jìn)行隨機振動(dòng)疲勞分析的挑戰。但是，與此同時(shí)，將新設計提交給物理振動(dòng)和沖擊測試仍然是一種常見(jiàn)的做法。通過(guò)在產(chǎn)品上施加比其在正常運行期間實(shí)際遇到的更高的振動(dòng)和沖擊應力，可以迅速強制執行故障。這種高度加速的生命周期測試（或稱(chēng)為HALT）是新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的重要組成部分，用于識別由于振動(dòng)引起的潛在故障，以確保電路板的生產(chǎn)結構能夠可靠地運行。