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快速發(fā)展的汽車行業(yè)中，印刷電路板組件 （PCBA） 是關(guān)鍵系統(tǒng)的支柱，從發(fā)動機控制單元到高級駕駛員輔助系統(tǒng) （ADAS）。這些組件必須承受惡劣的條件，包括極端溫度、濕度和機械振動，以確保車輛的安全性和可靠性。振動測試是驗證汽車 PCBA 耐用性的重要過程，可模擬它們在道路上面臨的真實應(yīng)力。本博客深入探討了工程師為汽車應(yīng)用設(shè)計穩(wěn)健的 PCBA 時需要了解的關(guān)鍵振動測試標準、方法和最佳實踐。無論您是為電動汽車還是重型卡車開發(fā)電子產(chǎn)品，了解這些標準都將有助于您交付高質(zhì)量、可靠的產(chǎn)品。

為什么振動測試對汽車 PCBA 很重要

振動測試評估 PCBA 如何承受車輛運行過程中遇到的機械應(yīng)力。路況、發(fā)動機振蕩或懸架動力學(xué)引起的振動會導(dǎo)致焊點破裂、走線斷裂或組件脫落等故障。根據(jù)國際標準化組織 （ISO） 的一項研究，嚴格的振動測試可以在設(shè)計階段的早期發(fā)現(xiàn)弱點，從而將保修索賠減少多達 30%。對于通常在易振動環(huán)境中運行的汽車 PCBA，測試可確保在苛刻條件下的功能和安全性。

汽車 PCBA 的主要振動測試標準

一些行業(yè)標準管理汽車 PCBA 的振動測試，提供了有關(guān)測試條件、頻率范圍和加速度水平的指南。下面，我們將探討工程師應(yīng)遵循的最相關(guān)標準。

ISO 16750-3：電氣系統(tǒng)的環(huán)境條件

ISO 16750-3 概述了道路車輛電氣和電子系統(tǒng)的測試要求。對于振動測試，它規(guī)定了 10 Hz 至 2,000 Hz 的頻率范圍，加速度水平根據(jù)組件的安裝位置（例如，發(fā)動機、底盤或機艙）而變化。每個軸（X、Y、Z）的測試持續(xù)時間可以跨越數(shù)小時，模擬坑洼或越野駕駛等真實條件。該標準確保 PCBA 能夠處理車輛運行過程中遇到的動態(tài)偏轉(zhuǎn)和應(yīng)力。

MIL-STD-810G：適用于惡劣環(huán)境的軍用級測試

雖然 MIL-STD-810G 主要是一項軍用標準，但已廣泛用于汽車應(yīng)用，尤其是專為惡劣環(huán)境設(shè)計的車輛。它涵蓋 5 Hz 至 2,000 Hz 頻率范圍內(nèi)的振動測試，并根據(jù)組件的使用案例定制加速度水平。例如，非簧下位置（例如輪端）的 PCBA 比有彈簧位置（例如機艙）中的 PCBA 面臨更高的隨機振動曲線。該標準強調(diào)隨機振動測試，以模擬不可預(yù)測的路況，確保結(jié)構(gòu)的完整性和可靠性。

GMW3172：通用汽車部件耐久性標準

GMW3172 基于 IEC 60068-2，是一種廣泛使用的汽車標準，定義了電氣/電子元件的振動曲線。它規(guī)定了正弦和隨機振動測試，發(fā)動機安裝的 PCBA 的加速度水平高達 20g，駕駛室安裝的 PCBA 的加速度水平較低。該標準包括用于識別諧振頻率的正弦掃描測試和用于在這些頻率下對組件施加應(yīng)力的正弦駐留測試。GMW3172確保 PCBA 能夠承受其預(yù)期車輛安裝位置的特定振動曲線。

IEC 60068-2：電子產(chǎn)品環(huán)境測試

IEC 60068-2 為環(huán)境測試提供了廣泛的框架，包括電子產(chǎn)品的振動測試。它包括 IEC 60068-2-6（正弦振動）和 IEC 60068-2-64（隨機振動）等測試，頻率范圍為 5 Hz 至 500 Hz，加速度水平高達 50g，具體取決于測試條件。該標準經(jīng)常在汽車測試中引用，以確保 PCBA 滿足全球可靠性要求。

汽車 PCBA 的振動測試方法

振動測試涉及使用電動振動臺或振動臺等專用設(shè)備對 PCBA 施加受控的機械應(yīng)力。以下是使用的主要方法：

正弦振動測試

正弦測試應(yīng)用具有恒定振幅的單頻振動，模擬發(fā)動機振蕩等重復(fù)力。例如，MIL-STD-883 方法 2007 規(guī)定了從 20 Hz 到 2,000 Hz 的掃描，峰值加速度為 20g、50g 或 70g，具體取決于測試條件。這種方法有助于識別可能導(dǎo)致焊點或組件疲勞失效的諧振頻率。

隨機振動測試

隨機振動測試復(fù)制了實際駕駛中不可預(yù)測的振動，例如道路不規(guī)則或坑洼撞擊。它使用功率譜密度 （PSD） 曲線來定義頻率范圍（例如 10 Hz 至 500 Hz）內(nèi)的振動能量。例如，GMW3172 使用 PSD 圖來模擬不同車輛位置的組件的振動，確保它們能夠承受復(fù)雜的多頻應(yīng)力。

溫度和振動組合測試

汽車 PCBA 經(jīng)常同時面臨熱應(yīng)力和機械應(yīng)力。如 IEC 60068-2 中所述，組合測試使 PCBA 在極端溫度（例如 -40°C 至 125°C）中循環(huán)時受到振動。這種方法復(fù)制了發(fā)動機艙的惡劣條件，其中 PCBA 會同時承受高溫和振動，從而確保真實場景下的可靠性。

有效振動測試的最佳實踐

為了最大限度地提高振動測試的有效性，工程師應(yīng)遵循以下最佳實踐：

1. 表征諧振頻率

在測試之前，執(zhí)行模態(tài)分析以確定 PCBA 的諧振頻率。當(dāng)振動頻率與電路板的固有頻率匹配時，就會發(fā)生共振，從而放大應(yīng)力并導(dǎo)致故障。激光多普勒測振儀 （LDV） 或加速度計等工具可以測量共振頻率，使工程師能夠調(diào)整設(shè)計或添加阻尼材料以降低風(fēng)險。

2. 使用真實的測試配置文件

根據(jù) PCBA 的預(yù)期車輛應(yīng)用定制測試配置文件。例如，安裝在發(fā)動機上的 PCBA 需要更高的加速度水平（例如 20g）和正弦曲線，而安裝在駕駛室上的 PCBA 面臨較低的水平（例如 5g）和隨機振動。使用特定于車輛的數(shù)據(jù)（例如道路測試的 PSD 圖）可確保測試準確模擬真實世界條件。

3. 確保適當(dāng)?shù)墓潭ㄑb置

不正確的夾具會引入不必要的共振或抑制振動，從而扭曲測試結(jié)果。使用模擬 PCBA 在車輛中實際安裝的剛性夾具，并在開始前通過加速度計測試驗證夾具剛度。這可確保 PCBA 在沒有外部干擾的情況下體驗到預(yù)期的振動曲線。

4. 實時監(jiān)控故障模式

使用菊花鏈組件或?qū)崟r電阻監(jiān)測來檢測測試過程中的故障，例如焊點開裂。這種方法，如一些 MIL-STD-810G 測試中所采用的，使工程師能夠查明故障模式并評估 PCBA 在振動應(yīng)力下的耐用性。

5. 使用有限元分析 （FEA） 進行驗證

使用 FEA 補充物理測試，以預(yù)測振動響應(yīng)并優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)測試數(shù)據(jù)驗證的 FEA 模型可以模擬焊點、走線和組件上的應(yīng)力，從而減少對昂貴的物理測試的需求。例如，一項對航天器 PCBA 的研究表明，F(xiàn)EA 可以準確預(yù)測振動響應(yīng)，從而節(jié)省時間和資源。

汽車 PCBA 振動測試的挑戰(zhàn)

盡管振動測試很重要，但振動測試也帶來了工程師必須解決的挑戰(zhàn)：

- 缺乏通用標準：與熱測試不同，PCBA 沒有單一的行業(yè)標準振動測試，導(dǎo)致測試設(shè)置和結(jié)果存在差異。
- 復(fù)雜的故障模式：振動會導(dǎo)致細微的故障，例如焊點中的微裂紋，如果沒有高級監(jiān)控，很難檢測到這些故障。
- 成本和時間限制：綜合測試，尤其是溫度和振動組合測試，需要大量時間和專用設(shè)備，從而增加開發(fā)成本。

為了克服這些問題，工程師應(yīng)優(yōu)先考慮 ISO 16750-3 或 GMW3172 等標準，使用高級診斷工具，并集成 FEA 等仿真工具以簡化測試。

振動測試是汽車 PCBA 開發(fā)的基石，可確保在面對機械應(yīng)力時的可靠性。通過遵守 ISO 16750-3、MIL-STD-810G、GMW3172 和 IEC 60068-2 等標準，工程師可以驗證設(shè)計并防止代價高昂的故障。結(jié)合正弦和隨機振動測試，使用真實的輪廓，并利用 FEA 和 LDV 等工具可以提高測試的準確性和效率。我們很自豪能夠支持工程師創(chuàng)建強大的 PCBA，為汽車創(chuàng)新的未來提供動力。通過掌握振動測試，您可以提供在最惡劣條件下（從城市街道到越野小徑）蓬勃發(fā)展的電子產(chǎn)品。