汽車電子設計：魯棒性設計

高宜國 一位在汽車行業從業十多年的 人士，涉足的領域包括汽車電子器件、汽車電子電路設計、汽車電子魯棒性設計（DFR）、汽車電子 設計（DFX）和汽車電子 壞情況電路分析（WCCA）。作者有個人公眾號汽車電子工程知識體系(AEEBOK)，在公眾號上將自己的經驗和見解整理成文章，內容涵蓋了電子器件的選擇和應用、電路設計的方法和技巧、測試和可靠性設計的知識點等。希望自己的公眾號能夠成為廣大汽車電子工程師和學習者學習和交流的平臺 ，也希望能為汽車行業提供有價值的信息和指導。

自序
前言
第1章　失效物理場分析 1
1.1　概述 2
1.1.1　失效物理場的定義和基本原理 2
1.1.2　失效物理場與電子組件魯棒性的關系 3
1.1.3　失效物理場的分類和常見類型 4
1.1.4　失效的影響 5
1.1.5　失效物理場分析的重要性 6
1.1.6　失效物理場分析的收益 7
1.2　失效物理場的測試方法和技術 8
1.2.1　加速測試與魯棒性測試 8
1.2.2　失效物理場的模擬與建模技術 9
1.2.3　監測與分析失效物理場的工具和技術 10
1.2.4　失效物理場的分析方法和流程 10
1.3　電子組件失效的物理機制 11
1.3.1　電學失效 12
1.3.2　熱學失效 13
1.3.3　機械失效 14
1.3.4　化學失效 15
1.4　電子元件失效的環境相關性分析 18
1.4.1　溫度環境 19
1.4.2　濕度 19
1.4.3　氧化和氧環境 21
1.4.4　輻射和電磁幹擾 22
1.4.5　振動和機械應力 22
1.5　失效物理場的模型與預測 23
1.5.1　失效物理場的建模 23
1.5.2　失效物理場庫 24
1.5.3　失效物理場的預測 24
1.5.4　魯棒性評估與設計優化 25
1.6　失效物理場的應用和控制策略 26
1.6.1　應用領域 26
1.6.2　控制策略 27
1.7　失效物理場研究的應用 28
1.7.1　失效物理場研究在電子組件設計中的應用 28
1.7.2　失效物理場研究在魯棒性評估與改進中的應用 29
1.7.3　失效物理場研究在電子制造與維修中的應用 30
1.7.4　失效物理場的控制策略與工程實踐 31
1.8　失效物理場分析示例 32
1.8.1　電阻器失效 33
1.8.2　失效模式占失效總比例表 34
1.8.3　失效模式機理分析 35
1.9　PCB 電子組件故障 40
1.9.1　PCB 電子組件故障的6 種類型 40
1.9.2　電子組件故障的分析 41
1.10　常見的電子組件故障 41
1.10.1　機械故障 42
1.10.2　熱故障 47
1.10.3　環境故障 47
1.10.4　電應力故障 48
1.10.5　封裝故障 52
1.10.6　老化故障 52
1.11　確定元件故障的方法 53
1.11.1　可焊性測試 54
1.11.2　汙染測試 55
1.11.3　微切片測試 56
1.11.4　自動X射線檢測(AXI) 57
1.11.5　表面成像方法 58
第2 章　元件選型 60
2.1　元件選型過程 60
2.2　元件選型過程不佳的潛在問題 61
2.2.1　成本風險 62
2.2.2　可用性風險 62
2.2.3　不兼容風險 63
2.2.4　未知失效風險 63
2.3　元件選型對魯棒性的影響 64
2.4　新元件會為可靠的產品性能帶來一系列風險 66
2.5　元件選型方法 67
2.6　電阻器選型 67
2.6.1　電阻器選型考慮因素 68
2.6.2　電阻器選型步驟 70
2.6.3　電阻器設計準則 70
2.7　電容器選型 73
2.7.1　電容器選型考慮因素 74
2.7.2　電容器選型步驟 75
2.7.3　電容器設計準則 76
2.8　變壓器和電感器選型 77
2.8.1　電感器選型 79
2.8.2　變壓器選型 80
2.8.3　電感器和變壓器選型步驟 81
2.9　繼電器設計 82
2.9.1　繼電器的技術參數和選型考慮因素 82
2.9.2　繼電器的選型步驟 83
2.9.3　繼電器的選型準則 83
2.9.4　繼電器使用檢查清單 84
2.9.5　繼電器的設計方法 86
2.10　開關設計 89
2.10.1　開關的選型考慮因素 90
2.10.2　開關的選型步驟 93
2.10.3　開關的選型準則 93
2.11　晶體和振蕩器設計 94
2.11.1　晶體和振蕩器的選型考慮因素 95
2.11.2　晶體和振蕩器的選型步驟 95
2.11.3　晶體和振蕩器的選型準則 96
2.12　光隔離器設計 96
2.12.1　光隔離器的選型考慮因素 97
2.12.2　光隔離器的選型步驟 98
2.12.3　光隔離器的選型準則 98
2.13　斷路器和熔斷器設計 99
2.13.1　斷路器和熔斷器的選型考慮因素 99
2.13.2　斷路器和熔斷器的選型步驟 100
2.13.3　斷路器和熔斷器的選型準則 101
2.14　插接器設計 102
2.14.1　插接器的選型考慮因素 102
2.14.2　插接器的選型步驟 103
2.14.3　插接器的選型準則 104
2.15　二極管設計 104
2.15.1　二極管的選型考慮因素 105
2.15.2　二極管的選型步驟 105
2.15.3　二極管的選型準則 106
2.16　晶體管設計 108
2.16.1　晶體管的選型考慮因素 109
2.16.2　晶體管的選型步驟 110
2.16.3　晶體管的選型準則 111
2.17　單片微電路和混合微電路設計 112
2.17.1　單片微電路和混合微電路的選型考慮因素 112
2.17.2　單片微電路和混合微電路的選型步驟 113
2.17.3　單片微電路和混合微電路的選型準則 113
第3 章　應力分析 116
3.1　應力與強度概念 117
3.1.1　PSA 的定義和概述 118
3.1.2　PSA 的方法和步驟 119
3.1.3　PSA 的關鍵參數和指標 119
3.1.4　理想的應力與強度關系 119
3.1.5　實際的應力與強度關系 120
3.1.6　應力曲線和強度曲線分析方法 121
3.1.7　時間的影響 122
3.1.8　PSA 流程 123
3.2　應力與強度分析 124
3.2.1　應力與強度正態假設 124
3.2.2　符號 125
3.2.3　三種情況 125
3.2.4　兩個正態分布 128
3.2.5　計算示例 129
3.3　應力類型 130
3.3.1　機械應力分析 130
3.3.2　熱應力分析 131
3.3.3　電應力分析 132
3.3.4　化學應力分析 134
3.3.5　環境應力分析 134
3.4　環境和使用因素 135
3.4.1　使用因素的類型 137
3.4.2　產品的任務剖面 138
3.4.3　應力與故障機制的關聯 141
3.5　應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　註意事項 144
3.6　應力比 145
3.6.1　質量信息 146
3.6.2　應力比 147
3.6.3　示例 147
3.6.4　不同的應力類型導致的失效 148
3.7　應力分析的應用 149
3.7.1　應力分析在元件選型和評估中的應用 149
3.7.2　應力分析在電路板布局和設計中的應用 149
3.7.3　應力分析在封裝和連接技術中的應用 150
3.8　PSA 與魯棒性設計的關系 152
3.8.1　PSA 在魯棒性設計中的作用與意義 152
3.8.2　PSA 與魯棒性評估方法的結合 152
3.8.3　PSA 與故障分析和預測的關聯 152
3.9　實例研究與案例分析 152
3.9.1　電阻器的應力分析示例 152
3.9.2　電容器的應力分析示例 153
3.9.3　晶體管的應力分析示例 154
3.10　PSA 工具與技術 154
3.10.1　應力測試與分析設備 154
3.10.2　應力仿真與模擬軟件 154
3.10.3　應力測量方法與技術 155
第4 章　參數趨勢分析 156
4.1　概述 156
4.1.1　參數趨勢分析的定義 157
4.1.2　參數趨勢分析的作用 158
4.1.3　PTA 和WCCA 的比較 158
4.2　開發元件特性數據庫的關鍵步驟 159
4.2.1　參考數據庫來源 160
4.2.2　元件參數趨勢分析 160
4.2.3　元件參數趨勢量化 161
4.3　參數趨勢分析過程 162
4.3.1　確定分析方法 163
4.3.2　獲取數據 163
4.3.3　分析計劃 164
4.3.4　執行參數分析 165
4.3.5　記錄結果 165
4.4　參數趨勢分析方法 166
4.5　電容 小值和 值的計算 167
4.6　元件參數可變性 167
4.7　數值方法 170
4.8　電子元件參數變化趨勢分析的應用案例 171
4.8.1　電阻元件參數變化趨勢分析 171
4.8.2　電容元件參數變化趨勢分析 171
4.8.3　晶體管元件參數變化趨勢分析 173
4.8.4　LDO 元件的參數變化趨勢分析 177
第5 章　降額設計 179
5.1　定義 180
5.1.1　降額 181
5.1.2　降額方法 182
5.1.3　術語 183
5.1.4　 工作條件 184
5.1.5　 額定值 184
5.2　計算條件 185
5.2.1　 壞情況的預期條件 186
5.2.2　溫度降額系數 187
5.3　降額等級的劃分 188
5.3.1　Ⅰ級降額 189
5.3.2　Ⅱ級降額 191
5.3.3　Ⅲ級降額 193
5.4　降額規則 195
5.4.1　電阻降額規則 195
5.4.2　電容降額規則 196
5.4.3　電感與變壓器降額規則 198
5.4.4　晶體管降額規則 199
5.4.5　二極管降額規則 200
5.4.6　集成芯片降額規則 201
5.4.7　光電元件降額規則 203
5.4.8　開關降額規則 203
5.4.9　繼電器降額規則 204
5.4.10　插接器降額規則 206
5.4.11　PCB 降額規則 206
5.4.12　振蕩器和諧振器降額規則 207
5.4.13　電位器降額規則 208
5.4.14　光學元件降額規則 209
5.4.15　導線與電纜降額規則 210
5.4.16　電機降額規則 211
5.4.17　燈泡降額規則 211
5.4.18　斷路器和熔斷器降額規則 213
5.4.19　微波管降額規則 214
5.5　降額參考資源 215
5.6　降額過程 216
5.7　降額使用方法 217
5.8　降額和魯棒性 218
5.9　考慮降額指南的不同方式 219
5.9.1　供應商降額指南 220
5.9.2　行業降額指南 220
5.9.3　過降額或欠降額的影響 221
5.9.4　電壓與失效時間的關系 221
5.9.5　另一種繪制降額信息的方法 222
5.10　總結 224
第6 章　 壞情況電路分析 225
6.1　概述 225
6.1.1　 壞情況電路分析的目的 226
6.1.2　 壞情況電路分析的時機 227
6.1.3　 壞情況電路分析的程度 227
6.1.4　誰應該進行 壞情況電路分析/評審 228
6.1.5　利用 壞情況電路分析進行故障分析 228
6.1.6　 壞情況電路分析的降本增效 229
6.1.7　 壞情況電路分析的成本和進度安排 230
6.1.8　常發問題位置及因素 230
6.1.9　電氣測試方法和限制 231
6.1.10　進行 壞情況電路分析的能力要求 232
6.2　WCCA 方法論 233
6.2.1　分析方法 233
6.2.2　靈敏度分析 234
6.2.3　參數EVA、RSS、MCA 分析 235
6.2.4　方法和模板 235
6.2.5　公差數據庫設置 236
6.2.6　確定關鍵參數 237
6.2.7　處理定義不明確的公差 237
6.2.8　RSS 計算和應用 238
6.2.9　WCCA 示例: 三端穩壓器 239
6.2.10　關聯硬件WCCA 結果 243
6.3　 壞情況電路分析的對象與範圍 244
6.3.1　 壞情況電路分析的對象 244
6.3.2　 壞情況電路分析的範圍 244
6.3.3　 壞情況電路分析的層級 245
6.4　 壞情況電路分析的設計流程 246
6.4.1　 壞情況電路分析準備工作 246
6.4.2　關鍵電路識別工具 248
6.4.3　確定待分析電路 249
6.4.4　明確電路設計的基本參數 249
6.4.5　電路分割 250
6.4.6　 壞情況電路分析的作用 250
6.4.7　分析結果判別 251
6.5　WCCA 分析方法比較 251
6.6　 壞情況電路分析的前期數據準備工作 252
6.7　建立分析模型 253
6.8　出具 壞情況電路分析報告 254
在汽車智能化與電氣化快速發展的 ，電子系統的可靠性直接關乎車輛安全與性能。本書系統構建了汽車電子魯棒性設計的方法體系，涵蓋失效物理場分析、車規級元件選型、多物理場應力分析、參數漂移預測、三級降額設計、 壞情況電路驗證六大核心技術模塊，提供從理論到實踐的完整解決方案。通過68個工程案例和287項關鍵參數閾值，幫助工程師精準規避設計風險，滿足AEC-Q100、ISO 16750等嚴苛標準要求。 本書特別適合汽車電子工程師、可靠性專家、零部件供應商技術團隊及高校師生使用。無論是新能源三電系統開發、智能駕駛域控制器設計，還是車規芯片選型，都能從中獲得直接可用的技術工具——如繼電器觸點匹配表、HALT測試方案模板、參數趨勢灰色預測模型等。隨書附贈《汽車電子失效模式速查手冊》電子版，大幅提升工程問題排查效率。 作為 首部聚焦汽車電子魯棒性設計的專著，本書既可作為日常工具書查閱，又能系統提升可靠性工程能力。首批印刷限量贈送"車規元件選型決策樹"海報，助力工程師在智能汽車時代打造高可靠、高安全的電子系統！