汽车电子设计：鲁棒性设计

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。

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。

自序 前言 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