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技術專題
有關振動疲勞的PCB設計注意事項
在PCB設計中，我們要注意到振動的影響，且在設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生過多的運動，但是其他電路板則用于承受較大運動范圍的應用中。這些設備可以是任何東西，從小型玩具到復雜的航天器。盡管某些板可能實際上并未在任何地方移動，但它們仍會受到制造應力，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設計人員需要了解他們創(chuàng)建的設計中振動疲勞的基本知識，以及如何解決這些影響。這里有一些想法應該有所幫助。
環(huán)境應力和振動疲勞
據估計，多達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)。這強調了PCB設計以更好地承受隨機振動疲勞應力的重要性。對于將要用于更容易產生振動和沖擊的環(huán)境（如航空航天應用）的電路板，這一點變得尤為重要。
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)相當好，但焊接到其上的電子組件卻不能說相同。由于振動會導致板彎曲，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力的影響，并可能斷裂，從而導致引線與電路板斷開連接。長時間內即使很小的振動也會導致元件引線和焊接連接的疲勞。如果沒有適當的PCB設計實踐，焊點可能會因振動疲勞而破裂。
PCB制造應力可能會導致振動疲勞
導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力。組件引線和焊接點都容易受到熱沖擊，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重要。一旦這樣的例子就是在PCB上設計焊盤，以使組件引線能夠正確地焊接到其上。
PCB設計不良的焊盤可能導致焊料無法正確地填入表面安裝引線，或將焊料芯吸到遠離通孔焊盤的位置。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，通過未覆蓋通孔的焊錫芯吸會阻止設備的接地引腳獲得良好的焊錫連接。該零件可能會經過制造和測試，但由于振動使原本已經很薄的焊點磨損而在現(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可靠性的過程。此過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)建正確的焊盤和封裝尺寸，并為你提供設計規(guī)則，使你可以按照相關IPC類進行PCB設計。DFR的另一部分是使用仿真工具來預測設計中可能發(fā)生故障的位置，以便你可以進行相應的更改。
每天都會引入新技術，以應對設計振動疲勞和進行隨機振動疲勞分析的挑戰(zhàn)。但是，與此同時，將新設計提交給物理振動和沖擊測試仍然是一種常見的做法。通過在產品上施加比其在正常運行期間實際遇到的更高的振動和沖擊應力，可以迅速強制執(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結構能夠可靠地運行。