电子设备热循环和振动故障预防 [Preventing Thermal Cycling and Vibration Failures in Electronic Equipment] pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[美] 戴夫·S.斯坦伯格（Dave S.Steinberg） 著，常勇，丁其伯 译

图书标签:

• 电子设备
• 热循环
• 振动
• 可靠性
• 故障预防
• 电子封装
• 材料科学
• 测试与分析
• 电子制造
• 工程设计

出版社： 航空工业出版社

ISBN：9787516500286

版次：1

商品编码：11071490

包装：平装

外文名称：Preventing Thermal Cycling and Vibration Failures in Electronic Equipment

开本：16开

出版时间：2012-06-01

用纸：胶版纸

页数：201#

内容简介

《电子设备热循环和振动故障预防》旨在说明如何通过手工计算，去设计和分析评价低成本、高可靠性的电子系统。《电子设备热循环和振动故障预防》详细分析了热循环条件下热胀系数的变化和振动条件下谐振频率对于电子组件产生的位移、力和应力大小的影响，阐述了累积疲劳损伤的概念，并介绍了如何应用这种概念来计算各种电子元件和组件、元件引线和焊点在热循环和振动环境中累积的不同疲劳组合下用掉的疲劳寿命，从而给出了预防电子设备热循环和振动故障的设计方法和寿命预计方法。全书内容深入浅出、点面结合，其设计方法的基本应用范例很多，工程实用性很强，是一本既可作为高等院校的教学参考书，又可供广大工程技术人员作为设计参考书的工具书。

内页插图

目录

符号表
第1章 电子系统故障物理特性
1.1 不同类型电子组件中的故障
1.2 分析和评价的领域
1.3 热循环环境对引线和焊点的影响
1.4 振动环境对引线和焊点的影响
1.5 可靠性的不同观点
1.6 焊点中的蠕变和应力消除
1.7 交变应力循环和温度对焊点的影响
1.8 PCB结构自身的故障
1.9 PCB电镀通孔中的故障
1.10 散布对结构材料疲劳寿命的影响
1.11 制造公差对疲劳寿命的影响
1.12 由热循环损伤和振动损伤引起的综合损伤

第2章 热膨胀位移、力和应力
2.1 使结构要素工作更灵活以降低力和应力
例题1：铝条中的轴向热膨胀
例题2：降低铝条内的轴向热膨胀力
2.2 由PCB中的x-y热胀差引起的引线弯曲
2.3 电气引线的有效长度
2.4 内力迫使带固定端的引线弯曲和侧向移动
例题：通孔安装元器件引线和焊点中的热循环位移、力和应力
2.5 安全比后悔更好

第3章 梁和其他简单结构的振动
3.1 振动环境中产生的动态力
例题：变压器引线中的振动力和应力
3.2 简单结构固有频率确定
例题：有端部质量的悬臂梁的固有频率
3.3 位移与频率和重力单位（G值）的关系
例题：根据频率和加速度求取位移
3.4 带集中栽荷的梁的动态力和位移
例题：求取作用在梁上的动态位移和动态力的两种方法
3.5 匀质梁结构的固有频率
例题：钢梁和铝梁的固有频率

第4章 印制电路板和平板的振动
4.1 不同印制电路板的特性
4.2 振动对电路板边缘条件的影响
4.3 印制电路板的固有频率
例题：求取插入式电路板的固有频率
4.4 影响各种结构和平板传输率Q的条件
4.5 不同电子结构传输率Q的估算
例题：固有频率和输入G值对Q的影响
4.6 特型电路板的固有频率
例题：矩形平板的固有频率

第5章 热循环和振动环境中疲劳寿命的估算
5.1 电子结构中的疲劳故障和疲劳损伤
5.2 疲劳特性与疲劳曲线斜率的关系
例题1：PCB上电感的振动疲劳寿命的变化
例题2：试验时间和加速度值变化的影响
5.3 焊点的热循环疲劳指数斜率6
例题1：建立自动验证的寿命试验大纲
例题2：器件的热诱发力、应力和疲劳寿命

第6章 预防电子系统振动损伤的倍频程规则、缓冲器、阻尼器和隔振器
6.1 PCB及其支撑结构之间的动态耦合
例题：振动对安装在电路板上的继电器的影响
6.2 利用缓冲器稳定严酷振动和冲击环境中的PCB
例题：选择缓冲器解决PCB的振动问题
6.3 增加PCB的阻尼以降低谐振时的传输率Q
6.4 材料阻尼特性
6.5 结构阻尼特性
6.6 黏弹材料的阻尼特性
6.7 振动隔离系统
6.8 精密仪表减振器的匹配安装
6.9 倍频程规则应用于隔离系统
例题：推荐带隔离器的系统使用的频率

第7章 热膨胀在轴向元器件引线中形成的位移、力和应力
7.1 安装在电路板上的电子器件
7.2 评价作为框架和排架的元器件引线
7.3 用于求取引线位移和力矩的叠加法
……
第8章 设计用于正弦振动的电子设备
第9章 电子线路设计的随机振动评估
第10章 随机振动和热循环疲劳损伤的综合
第11章 表面安装器件中的热循环故障
第12章 动态力和PCB位移对器件引线和焊点中的应力和疲劳寿命的影响
第13章 安装在PCB上的长器件、高器件和小器件的疲劳寿命
第14章 电气触点中的磨损和接触表面的侵蚀
第15章 故障和故障分析的历史案例
参考文献

前言/序言

揭秘隐形杀手：详解电子设备内部的“疲劳”与“应激” 在现代科技飞速发展的今天，电子设备已渗透到我们生活的方方面面，从驱动经济运行的庞大服务器集群，到连接世界的智能手机，再到守护航空安全的精密仪表，它们的可靠性至关重要。然而，许多潜在的故障并非源于设计上的根本性缺陷，而是来自那些看似微不足道，却日积月累的“隐形杀手”——热循环和振动。它们如同无形的雕刻师，悄无声息地在电子元器件的结构中刻下疲惫的痕迹，最终导致看似坚固的设备轰然倒塌。 本书旨在深入剖析电子设备在实际运行环境中面临的严峻挑战，聚焦于两个最普遍也最具破坏性的环境因素：热循环和振动。我们并非讨论如何设计出功能更强大的芯片，也不是探讨最新的通信协议，而是将目光投向那些决定设备“寿命”的微观层面，探寻那些被忽视却至关重要的物理效应。 热循环：温度的残酷舞蹈 电子设备在工作时会产生热量，而环境温度的波动更是常态。当设备经历一次又一次的温度变化，从寒冷的休眠状态被激活到高温的满负荷运行，再冷却下来，材料会在这种温度的拉伸与压缩中不断经历膨胀与收缩。这种反复的“呼吸”过程，在材料学中被称为热疲劳。 试想一块集成电路板，它由多种不同材料构成，如铜、硅、陶瓷、塑料等。这些材料的热膨胀系数各不相同，在温度变化时，它们的膨胀和收缩速率也不同。这种不匹配会导致界面处产生巨大的应力，就好比两条用不同材料缝制的布料，在受热拉扯时，缝合处会承受极大的压力。 微观裂纹的萌生与扩展： 这种应力初期可能非常微小，肉眼难以察觉，但随着时间的推移，在无数次的循环下，会在材料的薄弱处，如焊点、引线、PCB走线边缘等，逐渐萌生出微小的裂纹。这些裂纹如同病灶，在每一次温度变化时都会受到“牵引”而增长，最终可能导致电气的断开，从而造成器件失效。 焊点的脆弱性： 尤其值得关注的是焊点。焊点是连接电子元器件和电路板的关键，它们通常由熔点较低的合金构成。在热循环过程中，焊点会经历反复的熔化-凝固（如果温度变化幅度足够大）或塑性变形，导致晶粒结构发生改变，硬度降低，更容易产生裂纹。一旦焊点失效，整个元器件就失去了电气连接，设备也就失去了功能。 封装材料的挑战： 电子元器件的封装材料也扮演着重要角色。它们的柔韧性、强度以及与内部芯片的粘附性，都直接影响着设备在热循环下的表现。例如，一些塑料封装材料在低温下可能变得脆弱，而高温下则可能软化变形，从而传递过度的应力给内部的芯片或连接。 影响因素的深度解析： 本书将深入探讨影响热循环失效的各种因素，包括： 温度变化幅度 (ΔT)： 温度变化越大，材料经历的应力就越大，加速疲劳过程。 温度变化速率 (dT/dt)： 快速的温度变化会产生更剧烈的瞬态应力，对材料的冲击更大。 材料的热膨胀系数 (CTE)： 不同材料CTE的差异是产生应力的根源。 循环次数： 即使是微小的应力，在足够多次的循环后也会累积造成损伤。 器件的几何结构和尺寸： 焊点的大小、形状，PCB板的厚度都会影响应力的分布。 材料的微观结构和缺陷： 材料内部存在的原始缺陷会成为裂纹萌生的“易感点”。 振动：持续的“动荡不安” 与缓慢而规律的热循环不同，振动是一种更具随机性和冲击性的外部力量。无论是工业环境中的机械设备轰鸣，还是交通工具的颠簸，亦或是自然界的地震，都可能对电子设备施加不同频率和幅度的振动。 机械应力与疲劳： 振动会引起设备内部元器件、连接件、PCB板以及结构件的机械振动。这种持续的振动会产生交变应力，导致材料发生疲劳。与热循环不同，振动产生的应力主要来自于物理的拉伸、弯曲和剪切。 连接点的“磨损”： 同样，焊点、引线、连接器等都是振动中最容易失效的部分。在持续的振动下，这些连接点会产生相对位移，产生摩擦和应力集中。如果振动的频率恰好与某个结构件的固有频率接近，则可能引发共振，极大地放大振动的幅度，造成灾难性的破坏。 PCB板的“屈曲”： 印刷电路板（PCB）作为电子设备的核心载体，在振动作用下也会发生形变。长期的弯曲和振动会使PCB板的走线、焊盘以及焊点承受反复的拉伸和弯曲应力，导致走线疲劳断裂，焊点开裂。 元器件的物理损伤： 对于一些体积较小、安装不牢固的元器件，如电容、电阻，以及表面贴装的集成电路，强烈的振动甚至可能导致它们从PCB板上脱落，或者在安装过程中产生微小的裂纹，而这些裂纹在初期是不可见的。 谐振的危险： 振动的一个特别危险的方面是共振。当外部振动频率与设备内部某个组件的固有振动频率一致时，该组件会以极大的幅度振动，即使外部振动强度并不大，也可能在短时间内导致组件的结构性损坏或连接失效。识别和避免共振是振动失效分析的关键。 振动的影响因素： 影响振动失效的因素包括： 振动加速度和频率： 振动的强度（加速度）和变化的速度（频率）是决定振动危害程度的主要参数。 振动持续时间： 振动持续的时间越长，累积的疲劳损伤就越严重。 设备的质量和刚度： 质量更大、刚度越小的设备更容易受到振动的影响。 元器件的安装方式和固定强度： 安装是否牢固直接决定了元器件在振动中的受力情况。 结构件的连接方式： 螺丝、铆钉、胶合等连接方式的可靠性至关重要。 超越理论：实际案例与分析方法 本书不仅仅是枯燥的理论堆砌，更将深入剖析真实世界中由热循环和振动引起的各类电子设备故障案例。我们将通过具体的工业应用、航空航天、汽车电子、消费电子等领域的实际案例，来印证理论的价值。 故障模式的识别： 例如，我们会分析在极寒和极热交替环境下工作的通信基站，其天线馈线接头如何因热胀冷缩而松动，导致信号衰减；或者，探讨在舰船上工作的雷达系统，其舰体在海浪冲击下产生的低频振动，如何加速连接器内部触点的磨损，造成通信中断。 失效分析的工具与技术： 我们将介绍一系列先进的失效分析工具和技术，帮助工程师理解设备在热循环和振动作用下的行为。这包括： 有限元分析 (FEA)： 通过计算机模拟，精确预测材料在温度变化和外力作用下的应力分布和形变。 热循环试验和振动试验： 介绍标准化的环境应力筛选 (ESS) 和加速寿命试验 (ALT) 方法，如何在实验室模拟设备在真实环境中的恶劣条件，从而缩短测试周期，提早发现潜在问题。 显微镜检查和材料分析： 如扫描电子显微镜 (SEM)、能量色散X射线光谱仪 (EDS) 等，用于观察微观裂纹形貌，分析断裂的微观机制。 无损检测技术： 如X射线成像，用于在不破坏设备的情况下，检测内部焊点的完整性。 预防之道：设计与制造的协同 理解了热循环和振动的破坏机制，本书的核心目标便是提出切实可行的预防策略。这需要设计、材料选择、制造工艺和测试验证等多个环节的协同努力。 从源头设计入手： 热管理优化： 合理的风道设计、散热器选型、热界面材料的应用，以及降低内部发热量，都是有效控制温度变化的手段。 材料选择： 选择具有合适热膨胀系数、高疲劳强度和优良延展性的材料，尤其是在关键连接点。 结构设计： 优化PCB板的布线密度、走线宽度，避免应力集中区域；设计具有足够刚度和减振能力的结构件。 连接器和焊点设计： 采用更可靠的连接方式，优化焊膏配方和回流焊工艺，提高焊点的抗疲劳能力。 精益的制造工艺： 严格的工艺控制： 确保焊接质量、元器件的安装精度，避免引入额外的制造缺陷。 清洁度管理： 减少表面污染物，防止其在热应力作用下成为裂纹萌生的起点。 全面的测试与验证： 环境应力筛选 (ESS)： 在生产过程中对产品进行严苛的温度循环和振动测试，剔除早期失效的产品。 加速寿命试验 (ALT)： 通过提高应力水平和缩短测试时间，预测产品在正常使用寿命内的可靠性。 结论：走向更可靠的电子未来 电子设备已成为现代社会不可或缺的一部分，它们的可靠性直接关系到生产力的提升、信息的畅通乃至生命的安全。热循环和振动，这两个看似普通的环境因素，却是导致电子设备失效的“幕后黑手”。本书旨在揭示这些“隐形杀手”的运作机制，并通过深入的分析和实用的预防策略，为工程师们提供一套完整的解决方案。 我们相信，通过对热循环和振动故障的深刻理解和有效预防，能够显著提升电子设备的可靠性，延长其使用寿命，减少不必要的维护成本和环境浪费，最终推动我们走向一个更稳定、更高效、更可靠的电子科技未来。这不仅是一本技术书籍，更是一份对电子设备可靠性未来的承诺。

评分☆☆☆☆☆

这本《电子设备热循环和振动故障预防》在我看来，更像是一本能够指导实际操作的“圣经”。我目前正面临着一个项目，需要让设备在极端温度变化和频繁的物理冲击环境下稳定运行，所以这本书的标题对我来说简直是“雪中送炭”。我迫切想知道的是，书中是如何将理论知识转化为可操作的工程实践的。例如，在“热循环”部分，是否会提供一套完整的流程，从材料选择、热设计、到加速寿命测试的每一个环节都有详细的说明？会不会针对不同类型的元器件（如电容、电感、IC等）在热循环下的失效机理进行深入剖析，并给出具体的防护建议？同样，“振动故障预防”部分，我希望它能超越简单的原理介绍，而是提供一系列实用的设计准则和失效分析方法。书中是否会包含一些关于应力集中、疲劳寿命预测的计算模型？以及如何通过改变结构设计、添加阻尼材料、或者优化安装方式来有效提升产品的抗振能力？我尤其期待书中能包含一些具体的测试设备和方法的介绍，以便我能更好地验证设计效果。这本书的出现，极大地激发了我对工程设计中细节的关注。

评分☆☆☆☆☆

我最近购买了《电子设备热循环和振动故障预防》，虽然还未深入阅读，但单从书名就足以让我对它充满期待。我尤其关注这本书在“热循环”和“振动”这两个关键领域所提供的解决方案的深度和广度。我猜测，在热循环方面，书中可能会详细阐述不同材料的热性能差异，以及它们在温度变化中的行为表现。是否会涵盖到PCB板的层间应力、焊点的疲劳寿命，以及元器件封装的热应力分析？我希望能从中学习到如何通过优化散热设计、合理布局元器件、或者选择合适的封装材料来延长产品的热循环寿命。至于“振动故障预防”，我期待书中能深入探讨各种振动模式对电子组件的影响，以及相应的抑制技术。比如，书中是否会介绍如何通过结构设计来提高产品的刚度和强度？或者如何利用隔振技术和阻尼材料来吸收和耗散振动能量？我更希望看到的是一些具体的工程案例，展示如何通过科学的方法来解决实际的振动问题。这本书的出现，无疑为电子产品在复杂环境下的可靠性设计提供了重要的参考。

评分☆☆☆☆☆

这本《电子设备热循环和振动故障预防》我刚入手没多久，还在粗略翻阅阶段，但就目前来看，它似乎是一本相当有分量的技术手册。从书的厚度以及它所涵盖的主题来看，我预感这会是一本需要反复研读、深入钻研的读物。我尤其对它在“热循环”部分如何深入剖析温度变化对元器件寿命的影响感到好奇。是会从材料学的角度解释不同材料在热胀冷缩中的微观形变，还是会着重于PCB板的形变和焊点的疲劳？书中是否会提供具体的实验数据来支撑其理论，例如不同材料在经过多少个热循环后会达到失效阈值？另外，对于“振动故障预防”的部分，我希望能看到关于各种振动源（如运输、机械运转、声振耦合等）的详细分类和分析，以及针对不同类型振动的有效抑制或缓解技术。比如，书中会不会介绍到减震材料的选择、结构设计的优化、以及共振频率的规避策略？我比较期待看到一些实际的案例分析，例如某个具体产品在经历何种振动环境后出现故障，以及通过书中介绍的方法是如何成功避免类似问题的。总而言之，这本书给我一种“干货满满”的预期，相信能为我的工作提供不少有价值的指导。

评分☆☆☆☆☆

坦白讲，我对《电子设备热循环和振动故障预防》这本书抱有一些非常实际的期待。我目前的工作经常需要设计和测试那些需要在严苛环境下运行的电子产品，而温度波动和机械振动带来的故障频发，一直是我头疼的问题。所以我希望这本书能给我提供一些立竿见影的解决方案。比如，在热循环部分，我希望能找到关于如何选择合适的热管理材料、如何设计高效的散热系统，以及如何进行有效的热循环寿命预测的具体方法。书中是否会介绍一些关于材料热膨胀系数匹配的原则？或者关于如何通过增加散热片、热管等来降低温升的工程实践？而在振动方面，我更希望看到如何通过结构优化来提高产品的抗振性能。这本书会不会提供关于如何计算和分析结构的固有频率，以及如何避免共振的实用技巧？例如，在PCB设计中，如何合理布局元器件，如何加固脆弱的部分，以抵御外在的振动冲击？我希望书中能提供一些清晰的图示和案例，让我能直观地理解这些复杂的概念，并将其快速应用到我的实际工作中，从而减少不必要的返工和成本。

评分☆☆☆☆☆

我一直认为，电子设备的可靠性是决定其生死存亡的关键因素之一，而热循环和振动无疑是两大“杀手”。因此，当我看到《电子设备热循环和振动故障预防》这本书时，立刻被它吸引住了。虽然我还没有时间深入阅读，但从目录和一些零散的章节来看，它似乎提供了一个非常系统和全面的视角。我猜想，在热循环方面，它可能不仅仅停留在理论层面，而是会深入探讨诸如热应力分析、热冲击、以及不同封装形式对热循环寿命的影响。比如，书中会不会举例说明，同样是某个芯片，采用不同的封装工艺，在承受相同热循环时，其失效的概率和时间会有何差异？再者，对于振动，我期待书中能详细阐述如何通过建模和仿真来预测潜在的振动故障，并且提供详细的设计指南，帮助工程师从源头上避免脆弱的设计。这本书会不会包含一些关于连接器、电缆、以及PCB布局对振动敏感性的分析？我甚至希望书中能提到一些关于可靠性测试的标准和方法，例如随机振动测试、扫频振动测试等，并说明如何根据测试结果来改进设计。这本书的出现，仿佛为那些在产品开发中饱受可靠性困扰的工程师们提供了一盏明灯，我对其寄予厚望。

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挺好的书，正版，希望自己能学到东西

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很好，很满意，十个字，不想写了

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很实用的好书，有工程意义

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好，发货速度快！正版图书！

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很实用的好书，有工程意义

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有用

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不错的一本书，值得深入研究

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好，发货速度快！正版图书！

评分☆☆☆☆☆

还可以，转对产品的设计提出一定的理论建议。