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技術(shù)專題
有關(guān)振動疲勞的PCB設(shè)計注意事項
在PCB設(shè)計中，我們要注意到振動的影響，且在設(shè)計中時要考慮振動疲勞，不然PCB電路板的壽命不會長久。盡管許多電路板將在一個位置放置而不會產(chǎn)生過多的運(yùn)動，但是其他電路板則用于承受較大運(yùn)動范圍的應(yīng)用中。這些設(shè)備可以是任何東西，從小型玩具到復(fù)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，但它們?nèi)詴艿街圃鞈?yīng)力，熱變化甚至受挫的用戶打耳光的震動的影響。為了解決這個問題，PCB設(shè)計人員需要了解他們創(chuàng)建的設(shè)計中振動疲勞的基本知識，以及如何解決這些影響。這里有一些想法應(yīng)該有所幫助。
環(huán)境應(yīng)力和振動疲勞
據(jù)估計，多達(dá)20％的印刷電路板故障是由于振動和沖擊造成的。盡管這些數(shù)字最初是由空軍引用的，但許多其他行業(yè)也報告了類似的發(fā)現(xiàn)。這強(qiáng)調(diào)了PCB設(shè)計以更好地承受隨機(jī)振動疲勞應(yīng)力的重要性。對于將要用于更容易產(chǎn)生振動和沖擊的環(huán)境（如航空航天應(yīng)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）在振動和沖擊的壓力下表現(xiàn)相當(dāng)好，但焊接到其上的電子組件卻不能說相同。由于振動會導(dǎo)致板彎曲，因此其組件上的引線會因其剛度和拉伸而斷裂。焊料還容易受到振動應(yīng)力的影響，并可能斷裂，從而導(dǎo)致引線與電路板斷開連接。長時間內(nèi)即使很小的振動也會導(dǎo)致元件引線和焊接連接的疲勞。如果沒有適當(dāng)?shù)?span lang="EN-US">PCB設(shè)計實(shí)踐，焊點(diǎn)可能會因振動疲勞而破裂。
PCB制造應(yīng)力可能會導(dǎo)致振動疲勞
導(dǎo)致振動疲勞失效的另一個因素是電路板在制造過程中承受的應(yīng)力。組件引線和焊接點(diǎn)都容易受到熱沖擊，因此良好的印刷電路板制造設(shè)計（DFM）工藝對于應(yīng)對這些影響至關(guān)重要。一旦這樣的例子就是在PCB上設(shè)計焊盤，以使組件引線能夠正確地焊接到其上。
PCB設(shè)計不良的焊盤可能導(dǎo)致焊料無法正確地填入表面安裝引線，或?qū)⒑噶闲疚竭h(yuǎn)離通孔焊盤的位置。這些情況可能導(dǎo)致零件的焊接連接不良。例如，在較大的散熱墊上，通過未覆蓋通孔的焊錫芯吸會阻止設(shè)備的接地引腳獲得良好的焊錫連接。該零件可能會經(jīng)過制造和測試，但由于振動使原本已經(jīng)很薄的焊點(diǎn)磨損而在現(xiàn)場的某些時候容易出現(xiàn)間歇性或全部故障。
你可以采取什么措施來防止振動疲勞？
消除振動疲勞的第一步是設(shè)計可靠性（DFR）。這是在構(gòu)建電路板之前的設(shè)計階段中確保PCB可靠性的過程。此過程的一部分將在設(shè)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)建正確的焊盤和封裝尺寸，并為你提供設(shè)計規(guī)則，使你可以按照相關(guān)IPC類進(jìn)行PCB設(shè)計。DFR的另一部分是使用仿真工具來預(yù)測設(shè)計中可能發(fā)生故障的位置，以便你可以進(jìn)行相應(yīng)的更改。
每天都會引入新技術(shù)，以應(yīng)對設(shè)計振動疲勞和進(jìn)行隨機(jī)振動疲勞分析的挑戰(zhàn)。但是，與此同時，將新設(shè)計提交給物理振動和沖擊測試仍然是一種常見的做法。通過在產(chǎn)品上施加比其在正常運(yùn)行期間實(shí)際遇到的更高的振動和沖擊應(yīng)力，可以迅速強(qiáng)制執(zhí)行故障。這種高度加速的生命周期測試（或稱為HALT）是新產(chǎn)品開發(fā)的重要組成部分，用于識別由于振動引起的潛在故障，以確保電路板的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)能夠可靠地運(yùn)行。