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2021-04-23
张杰
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作者：贸泽电子David Askew
当一个设计工程师考虑一个产品可能会遭遇不同的恶劣环境条件时，震动和冲击也许不会立即涌上心头。但是震动，却是许多系统设计故障的源头。电子产品在很多应用中都遭受到震动应力，范围包括从汽车，火车，航空系统到石油钻井，电站，和制造业。即使在温和的环境中，大部分电子产品在其生命周期都会遭受到不同程度的震动，无论是船运和其他交通工具还是其他简单的日常用品。
震动疲劳是部分机械应力的结果。局部应力是一个至少两个主要因子的函数：由于震动的加速度（以及它的衍生物），和震动频率与PCB或者局部的共振频率都有关系。如果震动过于暴力，然后PCB和其安装部分上的压力将会更大，很显然，由于更大的加速度。然而，假如这个频率会引起共振，就算是很小的震动都会带来巨大的灾难。
震动疲劳问题也使IC设计和封装制造面临更多挑战。尽管采用了芯片级封装（CSP），使性能更好并且封装密度更高，但价格也比较高。芯片小型化要求焊点和电气连接的大小和数目减少。由于越来越小的焊盘和更少的焊接点，设计工程师在面对冲击和震动时将面临更大的挑战。
设计工程师通常使用某些机制来针对带外壳和震动敏感的电子产品进行抑制震动和减少冲击。虽然灌注和填充这个IC芯片通常可以对焊接点提供非常有效的支持，但是往往需要权衡成本和热规范。
在房子内部的震动也将使得机器故障。这同样是不可取的；松开的螺钉，销钉，或者夹子都可能导致级联故障最终导致系统损坏。弹性物体和热塑性塑胶支架通过抑制而不是传输这种震动能有效减少这类事件发生的可能性。
数学模型和有限元方法可用于预测某些模式故障，包括许多由于振动引起的故障。另一方面，如果他们不对产品压力进行补充测试，这些方法也是出了名的不可靠，压力测试可以在问题更糟之前找到一些缺陷。这种测试需要时间，当然这样会延长产品面市时间。
有一种解决方案是使用加速产品的可靠性测试方法，比如HALT(高加速寿命测试)和HASS(高加速应力筛选试验)。它不像传统的单轴测试，HALT/HASS 把产品在暴露在6轴随机震动中（3个线性和3个旋转）和高热变化率一样。单元测试逐渐受到关注并用于研究故障。
这种方法进一步不仅是设计验证测试，因为它强调了产品超出其规范来确定操作和破坏的极限。如果正确实施，加速震动测试，像HALT/HASS可以提高产品的可靠性，同时也缩短产品面市时间。
这些技术非常有效，事实上，很多制造商在面市前都进行了严格的军事级的测试。MIL-STD-202测试方法标准为震动说明了测试流程，涉及振幅为0.03英寸的简谐运动，频率从10到55Hz。在电力负载条件下，每个轴至少运动两个小时（总共6个小时），并且产品在震动时和震动后都要进行测试。
参考资料
Veprik, A.M. (2003).电子设备中关键组件在恶劣环境条件下的震动保护，声音和震动杂志。259（1），pp.161-175
作者简介：
David Askew 是一个贸泽电子技术的专家，专业从事嵌入式系统和软件。他拥有一个德州的阿灵顿大学的电子工程学士学位。
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