PCB设计中需要考虑的振动疲劳

在PCB设计中，我们要注意到振动的影响，且在设计中时要考虑振动疲劳，不然PCB电路板的寿命不会长久。尽管许多电路板将在一个位置放置而不会产生过多的运动，但是其他电路板则用于承受较大运动范围的应用中。这些设备可以是任何东西，从小型玩具到复杂的航天器。尽管某些板可能实际上并未在任何地方移动，但它们仍会受到制造应力，热变化甚至受挫的用户打耳光的震动的影响。为了解决这个问题，PCB设计人员需要了解他们创建的设计中振动疲劳的基本知识，以及如何解决这些影响。这里有一些想法应该有所帮助。

环境应力和振动疲劳

据估计，多达20％的印刷电路板故障是由于振动和冲击造成的。尽管这些数字最初是由空军引用的，但许多其他行业也报告了类似的发现。这强调了PCB设计以更好地承受随机振动疲劳应力的重要性。对于将要用于更容易产生振动和冲击的环境（如航空航天应用）的电路板，这一点变得尤为重要。

尽管电路板的核心材料（例如FR-4）在振动和冲击的压力下表现相当好，但焊接到其上的电子组件却不能说相同。由于振动会导致板弯曲，因此其组件上的引线会因其刚度和拉伸而断裂。焊料还容易受到振动应力的影响，并可能断裂，从而导致引线与电路板断开连接。长时间内即使很小的振动也会导致元件引线和焊接连接的疲劳。如果没有适当的PCB设计实践，焊点可能会因振动疲劳而破裂。

PCB制造应力可能会导致振动疲劳

导致振动疲劳失效的另一个因素是电路板在制造过程中承受的应力。组件引线和焊接点都容易受到热冲击，因此良好的印刷电路板制造设计（DFM）工艺对于应对这些影响至关重要。一旦这样的例子就是在PCB上设计焊盘，以使组件引线能够正确地焊接到其上。

PCB设计不良的焊盘可能导致焊料无法正确地填入表面安装引线，或将焊料芯吸到远离通孔焊盘的位置。这些情况可能导致零件的焊接连接不良。例如，在较大的散热垫上，通过未覆盖通孔的焊锡芯吸会阻止设备的接地引脚获得良好的焊锡连接。该零件可能会经过制造和测试，但由于振动使原本已经很薄的焊点磨损而在现场的某些时候容易出现间歇性或全部故障。

你可以采取什么措施来防止振动疲劳？

消除振动疲劳的第一步是设计可靠性（DFR）。这是在构建电路板之前的设计阶段中确保PCB可靠性的过程。此过程的一部分将在设计中纳入良好的DFM惯例。你的PCB制造商可以帮助你为零件创建正确的焊盘和封装尺寸，并为你提供设计规则，使你可以按照相关IPC类进行PCB设计。DFR的另一部分是使用仿真工具来预测设计中可能发生故障的位置，以便你可以进行相应的更改。

每天都会引入新技术，以应对设计振动疲劳和进行随机振动疲劳分析的挑战。但是，与此同时，将新设计提交给物理振动和冲击测试仍然是一种常见的做法。通过在产品上施加比其在正常运行期间实际遇到的更高的振动和冲击应力，可以迅速强制执行故障。这种高度加速的生命周期测试（或称为HALT）是新产品开发的重要组成部分，用于识别由于振动引起的潜在故障，以确保电路板的生产结构能够可靠地运行。
编辑：hfy