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技術(shù)專題
有關(guān)振動(dòng)疲勞的PCB設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
在PCB設(shè)計(jì)中，我們要注意到振動(dòng)的影響，且在設(shè)計(jì)中時(shí)要考慮振動(dòng)疲勞，不然PCB電路板的壽命不會(huì)長(zhǎng)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(yùn)動(dòng)，但是其他電路板則用于承受較大運(yùn)動(dòng)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(dòng)，但它們?nèi)詴?huì)受到制造應(yīng)力，熱變化甚至受挫的用戶打耳光的震動(dòng)的影響。為了解決這個(gè)問(wèn)題，PCB設(shè)計(jì)人員需要了解他們創(chuàng)建的設(shè)計(jì)中振動(dòng)疲勞的基本知識(shí)，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(dòng)疲勞
據(jù)估計(jì)，多達(dá)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(shù)字最初是由空軍引用的，但許多其他行業(yè)也報(bào)告了類似的發(fā)現(xiàn)。這強(qiáng)調(diào)了PCB設(shè)計(jì)以更好地承受隨機(jī)振動(dòng)疲勞應(yīng)力的重要性。對(duì)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(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(dòng)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(shuō)相同。由于振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致板彎曲，因此其組件上的引線會(huì)因其剛度和拉伸而斷裂。焊料還容易受到振動(dòng)應(yīng)力的影響，并可能斷裂，從而導(dǎo)致引線與電路板斷開(kāi)連接。長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)即使很小的振動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致元件引線和焊接連接的疲勞。如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)?span lang="EN-US">PCB設(shè)計(jì)實(shí)踐，焊點(diǎn)可能會(huì)因振動(dòng)疲勞而破裂。
PCB制造應(yīng)力可能會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)疲勞
導(dǎo)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(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(jì)（DFM）工藝對(duì)于應(yīng)對(duì)這些影響至關(guān)重要。一旦這樣的例子就是在PCB上設(shè)計(jì)焊盤(pán)，以使組件引線能夠正確地焊接到其上。
PCB設(shè)計(jì)不良的焊盤(pán)可能導(dǎo)致焊料無(wú)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(pán)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(guò)未覆蓋通孔的焊錫芯吸會(huì)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(huì)經(jīng)過(guò)制造和測(cè)試，但由于振動(dòng)使原本已經(jīng)很薄的焊點(diǎn)磨損而在現(xiàn)場(chǎng)的某些時(shí)候容易出現(xiàn)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(shè)計(jì)可靠性（DFR）。這是在構(gòu)建電路板之前的設(shè)計(jì)階段中確保PCB可靠性的過(guò)程。此過(guò)程的一部分將在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)規(guī)則，使你可以按照相關(guān)IPC類進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)。DFR的另一部分是使用仿真工具來(lái)預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)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(huì)引入新技術(shù)，以應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)振動(dòng)疲勞和進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)疲勞分析的挑戰(zhàn)。但是，與此同時(shí)，將新設(shè)計(jì)提交給物理振動(dòng)和沖擊測(cè)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(yùn)行期間實(shí)際遇到的更高的振動(dòng)和沖擊應(yīng)力，可以迅速?gòu)?qiáng)制執(zhí)行故障。這種高度加速的生命周期測(cè)試（或稱為HALT）是新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的重要組成部分，用于識(shí)別由于振動(dòng)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。