关晓丹——电子产品制造性设计.doc

毕业设计报告（论文） 报告（论文）题目： SMT 工艺与设备 作者所在系部： 电子工程系 作者所在专业： 电子工艺与管理 作者所在班级： 10252 作 者 姓 名 ： 李雪丹 作 者 学 号 ： 20103025220 指导教师姓名： 关晓丹 完 成 时 间 ： 2013 年 6 月 10 日 北华航天工业学院教务处制 北华航天工业学院电子工程系 毕业设计（论文）任务书 姓姓 名：名： 李雪丹 专专 业：业： 电子工艺与管理班班 级：级： 10252 学号：学号： 20103025220 指导教师：指导教师： 关晓丹 职职 称：称： 讲师完成时间：完成时间：2013 年 6 月 10 日 毕业设计（论文）题目：毕业设计（论文）题目： SMTSMT 工艺与设备工艺与设备 设计目标：设计目标： 电子产品造型设计、整机结构设计、印制电路板组件设计制造技术、微电子工艺、电子设 备加工和调试技术等，有力地保证了生产的系统性和实用性。 技术要求：技术要求： 防静电技术、环境控制、加工和调试、设计及生产 所需仪器设备：所需仪器设备： （1）焊接设备 （2）设备生产 （3）形成工艺文件标准 （4）电子电装元件 （5）调试检验维护电子仪器 成果验收形式：成果验收形式：毕业论文 参考文献：参考文献：表面组装技术 、 电子产品与工艺 、 电子设备结构与工艺 、 电子产品 工艺实训 、 电子技能与训练 、 电子产品结构工艺 、 电子产品工艺 、 电子技能训练 、 电子技术基础技能实训 、 电子工艺及电子工程设计 、 电子设备装联工艺基础 、 现代电 子设备制造手册 。 1 5 周-6 周立题论证 3 9 周-13 周资料收集 时间时间 安排安排 2 7 周-8 周方案设计 4 14 周-16 周成果验收 指导教师指导教师： 教研室主任教研室主任： 系主任系主任： 摘 要 随着电子技术的发展，电子产品正广泛应用于人类生活的各个领域。电子产品的生 产与发展是与电子技术的发展密切相关的。新材料的使用新器件的出现，尤其是大规模 超大规模集成电路的出现和推广应用，以及工艺手段的不断革新，使电子产品在电路上 和结构上都产生了巨大的飞跃。为现在生产提供了指导、准则和大量的数据及图示，以 现代电子设备可靠性设计、制造技术为主题，首先介绍了电子设备内部和外部环境防护 设计的基本原理及相关技术，如电子设备热设计、防腐蚀设计、隔振缓冲设计、电磁兼 容设计和整机结构设计等，并以信息设备和电力设备为例，进行详细阐述；然后以现代 先进的电子设备制造技术，尤其是印制电路板设计制造、微电子工艺、设备组装和调试 等工艺设计技术要求及生产。 关键词 电子设备的生产 电子产品的制造 工艺标准 设计技术要求 目 录 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 1 第第 2 2 章章 电子设备基础知识电子设备基础知识 2 2 2.1 电子产品的分类和特点2 2.2 环境对电子设备的要求3 2.3 电子设备设计制造基础6 2.3.1 电子设备及结构设计基础 6 2.3.2 电子设备制造材料基础 8 2.3.3 电子设备制造工艺基础 8 第第 3 3 章章 电子设备热设计电子设备热设计 9 9 3.1 电子设备热设计 9 3.1.1 电子设备热环境和散热途径 9 3.1.2 电子设备热设计原则和步骤 .10 3.2 电子设备的强迫风冷 .11 第第 4 4 章章 总结总结 1414 致致 谢谢 1515 参考文献参考文献 1616 附附 录录 1717 电子产品的制造性设计 第1章 绪论 当前，人们把利用电子学原理制成的设备、装置、仪器、仪表等统称为电子设备。 例如，通信设备、电视机、电子计算机、电子测量仪器等，正广泛应用于人类生活的各 个领域。 电子产品的设计制造技术与电子技术的发展密切相关。新材料的使用、新器件的出 现，尤其是大规模和超大规模集成电路的推广应用，以及微电子工艺的不断革新，使电 子设备在电路上和结构上都产生了巨大的飞跃 电子产品由于产生、变换、传输和接收的电磁信号的不同，一般分为模拟设备和数 字设备。预研究工作的任务是在产品设计前突破复杂的关键技术课题，为确定设计任务 书、选择最佳设计方案创造条件；或根据电子技术发展的新趋向，寻求把近代科学技术 的成果应用于产品设计的途径，有计划地研究新结构、新工艺和新理论，以及采用新材 料和新器件等先行性技术课题，为不断在产品设计中采用新技术，创造出更高水平的新 产品奠定基础。该阶段的工作，一般按拟定研究方案和试验研究两道程序进行。设计性 试制阶段 凡自行设计或测绘试制的产品，一般都要经过设计性试制阶段。其任务是根据 批准的设计任务书，进行产品设计，编制产品设计文件和必要的工艺文件，制造样机， 并通过对样机全面试验，检查鉴定产品的性能，从而肯定产品设计与关键工艺。一般工 作程序如下所述。 本论文将介绍电子产品的设计及生产工艺，电子设备的生产 、电子产品的制造 工艺标准及设计技术要求。 第2章 SMT工艺 2.1 SMT 工艺 SMT 是表面组装技术（表面贴装技术） （Surface Mounted Technology 的缩写） ，是目前电子组装行业里最流行的一种技术和工艺。 SMT 主要内容及基本工艺构成要素 锡膏印刷 零件贴装 回流焊接 AOI 光学检测 维修 分板 锡膏印刷 其作用是将锡膏漏印到 PCB 的焊盘上，为元器件的焊接做准备。所用设备为印刷机 SMT 加工车间 （锡膏印刷机） ，位于 SMT 生产线的最前端。 零件贴装 其作用是将表面组装元器件准确安装到 PCB 的固定位置上。所用设备为贴片机，位于 SMT 生产线中印刷机的后面，一般为高 速机和泛用机按照生产需求搭配使用。 回流焊接 其作用是将焊膏融化，使表面组装元器件与 PCB 板牢固焊接在一起。所用设备为回流焊炉，位于 SMT 生产线中贴片机的后面， 对于温度要求相当严格，需要实时进行温度量测，所量测的温度以 profile 的形式体现。 AOI 光学检测 其作用是对焊接好的 PCB 板进行焊接质量的检测。所使用到的设备为自动光学检测机（AOI） ，位置根据检测的需要，可以配 置在生产线合适的地方。有些在回流焊接前，有的在回流焊接后 维修 其作用是对检测出现故障的 PCB 板进行返修。所用工具为烙铁、返修工作站等。配置在 AOI 光学检测后 分板 其作用对多连板 PCBA 进行切分，使之分开成单独个体，一般采用 V-cut 与 机器切割方式 2.2 环境对电子设备的要求 1气温环境概述 (1)影响作业环境中热环境的基本因素主要包括：有气温，相对湿度，风速，热辐射， 服装隔热值；活动产热值等。人为了保持恒定的体温，人体通过热交换，使体内产生的 热量及从外界所得的热量总和，与人体向外界散热的热量总和，大致保持平衡。影响热 交换的 4 个主要的环境因素：入体周围的空气温度、空气湿度、空气流动（风）和辐射 温度（人体周围一定区域内的墙体、天花板和其他物体表面的温度）。 (2)有效温度有 效温度是考虑了温度、湿度、风 3 方面因素的一个综合性指标。在任何微气候环境条件 下，若人体的温度感觉与风速小于或等于 0.1m/s（自然对流）、相对湿度为 100010 条 件下的某温度值引起的感觉相同，这个温度值就是有效温度值。 (3)有效温度的组成同 一有效温度值可由不同的气温值、相对湿度值和风速值组合产生。例如，在下述 3 种微 气候条件中，人们产生了相同的温度感觉（有效温度相同），都是 17.7。ET。三者关系： 气温 17.7，相对湿度 100u/o，风速 0.1m/s；气温 22.4，相对湿度 70%，风速 0.5 m/s;气温 25，相对湿度 20%，风速 2.5m/s。通常可根据温度（摄氏温度或华氏 温度）、湿度（相对湿度）和风速 3 个因素，从有效温度图（也称温湿图）中直接查得 有效温度值。 2气温环境的生理效应和对作业的影响 (1)高温的生理效应 1)人在高温环境下工作，新陈代谢速度加快，人的产热量增加，散热落后于产热过 程，体内积蓄过量的热，导致体温升高，呼吸和心率加快。若长时间处于这神状况，将 出现失水，失盐、头晕、恶心、极度疲乏等症状。严重时，甚至会昏厥（中暑）以致死 亡。 2)在高温情况下，出汗蒸发是人体散发热量的主要途径，在安静状态下，相对湿度 为 22%、气温达 30或相对湿度为 60%、气温达 2526时，人体开始知觉出汗。相对 湿度增加，人体因散热困难，而增加出汗；劳动强度增大，机体的代谢产热量增大，会 增加出汗。3)人们在热环境下工作，周围温度对心血管应力的总影响，可用工作能力来 描述。在温度 24-40，周围温度每提高 10，增加的生理学应力相当于最大工作能力 1%。4)人虽能暂时忍受在不舒适热环境中工作，但会产生不希望的生理反应和降低生产 能力，在热舒适情况下推荐的最大工作负荷。 (2)高温对作业的影响 1)在高温环境下，操作者知觉的速度和准确度以及反应能力均有不同程度的下降。 注意力不集中、烦躁不安、易于激动、对工作满意感大为降低。2)高温对操作效率的影 响。温度达 2732时，肌肉用力的工作效率下降；温度高达 32以上时，需要注意力 集中的工作以及精密工作的效率也开始下降。3)高温带来潜在的不安全性。用汗湿手抓 握物体或控制器比较困难，增加了工具失控或负荷失控的可能；在热和潮湿环境中工作， 形成潮湿的地板或工作物表面，增加了潜在的滑倒危险；汗侵入眼睛，引起眼睛疼痛并 干扰目视作业，会导致监控失误；降低皮肤的阻抗，会增加人们遭受电击的冲击。 (3)低温的生理效应 1)在低温条件下，皮肤毛细血管收缩，使人体散热量减少，通过肌肉收缩（表现为 肌肉紧张、颤抖），使人体产热量增加，当产热量小于散热量时，机体体温下降，当体 温降到 35以下，机体就会出现各种不同的功能紊乱现象，甚至死亡。2)环境温度过低 成在寒冷环境下暴露时间过长，都会发生冻痛、冻伤和冻僵现象。冻痛往往是冻伤的先 兆，冻痛后若持续低温暴露则会继发冻伤、冻僵。3)最常见的是局部过冷，如手、足、 耳及面颊等外露部分发生冻伤，严重时可导致肢体坏疽。此外，长期在低温、高湿条件 下劳动，易引起肌痛、肌炎、神经痛、神经炎、腰痛和风湿性疾患等。 (4)低温对作业的影响 1)低温环境即使不足以引起机体过冷，但仍会对工作效率产生不良影响，主要表现 在触觉辨别准确率下降，手的灵活程度和操作的准确性下降，视反应时延长。2)当环境 温度（干球温度）为 15时，手的柔韧性开始下降；当进行操作的手部皮肤温度为 15 时，就会影响打字或追踪操纵能力；在 8时，手的触觉能力下降；在 7时，手工作业 的效率仅为最舒适温度时的 80010；到 4。C 时将影响握力。低温还会降低要求有较高注 意力和良好短时记忆作业的效绩。 3气温环境设计 (1)代谢产热值体内产生的热量是热负荷的一个部分，不同活动（典型作业）的代谢 率。代谢率的单位是 met，Imet=58.15W/m2：0.83kcal/( minm2)。(2)计算温度（作 业温度）计算温度也称作业温度（to），它把气温(干球温度 ta)、风速、辐射热（黑球 温度 tg）3 介因素综合起来，衡量微气候环境对机体热平衡的影响，是评价热环境的重 要综合指标，也是进行工作设计（如室内的空调工程设计）的指标。 (3)至适温度也称 舒适温度，通常是指主观至适温度，即指 85%的人主观感觉至适的温度，至适温度取 决于作业环境的微气候条件、人的衣着、劳动强度。1)持续接触热后必要休息时间不得 少于 15min。休息时应脱离热环境。2)凡高温作业工作地点空气湿度大于 75%时，空气湿 度每增加 10%，允许持续接触热时间相应降低一个档次，即采用高于工作地点温度 2的 时间限值。 4改善气温环境的措施 (1)改善热不舒适措施 1)降低温度。合理布置热源和疏散可移动的热源。 2)降低湿 度。可加快汗液蒸发，在设计时，应在通风口设置去湿器。3)增加气流速度（如提供风 扇）。干球温度 25以上时，增加气流速度可显著提高舒适度；当周围温度升高到 35 以上时，尤其是相对湿度高时(70%)，其作用减弱；在中等强度到重体力劳动情况下， 当气流速度大于 2m/s 时，散热效率不再提高。4)降低工作负荷，可减少人体产热，以利 保持人体的热平衡：放慢工作速率，尽可能缩短连续工作时间，如实行小换班、增加工 间休息次数，延长休息时间等（休息时应离开热和潮湿环境）；采用辅助工具，减轻体 力劳动强度。5)调节衣服。穿着防护服，特殊高温作业需佩戴隔热面罩、穿热反射服 （镀铝夹克）或冰背心、风冷衣。 6)提供对辐射热的防护层。在人和辐射表面之间放置 防护屏（隔板），隔热板可用泡沫塑料（也可用木质或织物）和镀铝反射层组成。7)舒 适的休息场所。提供工间休患场所，该处有适度的流动空气和凉爽的环境( 2030)， 并提供坐椅和饮水。 (2)改善冷不舒适措施 1)降低气流速度。用挡风板、防风罩或防风 衣降低风对人的影响。 2)增加或超出工作负荷。调节工作负荷，使动静作业合理结合调 配。 3)增加服装隔热值。不舒适程度一般是相对于肤温而言的，增加服装隔热面和隔热 层，提高服装的隔热值，例如，穿着御寒服（热阻值大、吸汗和透气性强的衣料制成）， 且尺寸不宜过紧。 4)增加辐射热。提供加热器，呵增加小范围内的舒适。 5气体环境 (1)气体污染源及其对身体的影响 1)普通室内气体污染源主要来自 3 个方面。建筑材料本身的污染；装饰装修带来的 污染（尤其是低档材料）：家具带来的污染。2)室内气体污染对人健康的影响。上述三 大污染源中含有挥发性有机化合物达 300 多种，其中最主要、最常见、危害最大的 5 种 污染物质是甲醛、VOC（苯及其同系物）、氨、氡及石材本身的放射性。这 5 种物质被称 为五大“健康杀手”。研究表明，68%的人体疾病均与室内污染有关，其中最常见的症状 是头痛、胸闷、易疲劳、烦燥、皮肤过敏等反应，WHO 称此现象为“致病建筑综合症”。 3)工业区气体污染源。在化学、轻工、冶炼，机械加工和交通等作业场所会逸出有害气 体、蒸汽和气溶胶。当其达到一定剂量，会引起职业中毒，但许多毒物在尚未达到中毒 剂量前已可影响工效。 (2)气流质量要求 1)厂房的最低层高不应低于 3.Om，每个工作人员所占厂房的建筑容积不小于 20m3， 对新鲜空气量的要求如下：人均所占容积为 2040m3 时，应保证每人每小时不少于 20m3 新鲜空气量；人均所占容积超过 40m3 时，可由门窗渗入的空气来换气。 2)任何有人的封闭环境，为保持空气新鲜，都应提供足够的通风。如果环境容积小 于或等于人均 4.25ffl3，则至少应向该部位提供人均 0.85m3/min 的通风，其中室外的 新鲜空气应占 2/3 左右。对容积较大的封闭环境，人均供气量应按图 4-9 曲线的数据提 供。 3)室内空气质量要求：在 GB/T 18883室内空气质量标准中，对室内空气质量的 主要控制指标，做了明确的规定。 (3)保证空气质量的防护措施 1)常用的防护措施。选择无毒的建筑装修材料，污染环境的设备（如可产生臭氧的 复印机、蓄电池室等）应与操作人员的活动区域隔离，换气率必须适当，既不能换气过 度，使操作人员感到不适，也不能过少，致使污染物蓄积。 2)应在工厂和工艺流程中，杜绝任何有毒气体的泄漏，控制有害废气的排放。 3)严格执行有关国家标准和建设部的有关建筑标准，以保证室内空气质量不致损及 人的健康。 4)通风空调系统应定期保洁，以避免由于通风空调系统的污染影响室内空气的质量。 2.3 电子设备设计制造基础 如今的中国已成为世界电子设备制造中心，中国整个电子制造业的结构正在发生新 的变化与调整，新器件、新材料、新工艺不断问世，特别是日新月异的微电子技术正在 向各个领域广泛渗透。因此传统的电子设备结构设计和工艺方法受到严重挑战，中国电 子制造业迫切需要大量精通各方面知识的设计、制造工程师。现代电子设备所处的环境 主要包括气候环境、机械环境、电磁环境、生物化学环境和核辐射环境等。各种环境因 素的影响可能导致电子设备性能降低、失效甚至损坏，必须采取防护措施。 2.3.1 电子设备及结构设计基础 电子设备的设计通常包括线路设计和结梅设计。线路设计是根据产品的性能要求和 技术条件，确定设计方案，初定方框图和电路图，在此基础上进行必要的计算和试验， 最终确定线路图并选定元器件及其参数。电子设备的结构设计是根据线路设计提供的资 料和数据并考虑电子设备的性能要求和技术条件等，合理地布置元器件，使之组成部件 或电路单元，同时还要与其他单元连接起来，进行机械设计和防护设计等，最后组成一 台完整的产晶，给出全部工作图纸。 目前，电子设备的结构设计包括以下几个方面内容。 (1)整机组装结构设计（总体设计） 根据产品的技术要求和使用的环境条件，整机组装结构设计的内容如下所述。 环 境防护设计：包括元器件、组件及整机的热设计；防腐、防潮和防霉设计；振动与冲击 隔离设计及屏蔽与接地设计等。 结构件设计：包括机柜、机箱（或插入单元）、机壳、 机架、底座、面板、把手、锁定装置及其他附件的设计。 机械传动装置设计：根据信 号的传递或控制程中，对某些参数（电或机械）的调节和控制所必需的各种机械传动组 件或执行元件进行设计。 总体布局：在完成上述各方而的设计之后，合理地安排结构 布局，相互之间的连接形式以及结构尺寸的确定等。 (2)热设计 产品的热设计是指对电子元器件、组件以及整机的温升控制，尤其是对于高密度组 装的产品，更应注意其热耗的排除。温升控制的方法包括自然空冷、强迫空冷、强迫液 冷、蒸 发冷却、温差电制冷和热管传热等各种形式。 (3)电磁兼容性设计 产品中的数据处理和传输系统的自动化要求各系统有良好的抗干扰能力。因此，应 进行电磁屏蔽与接地等设计，以提高产品对电磁环境的适应性。其措施包括噪声源的抑 制、消除噪声的耦合通道和抑制接收系统的噪声等。 (4)防腐设计 严酷的气候条件会引起电子设备中金属和非金属材料发生腐蚀、老化、霉烂和性能 显著下降等各种现象。因此，应根据产品所处环境条件的性质和影响因素的种类和作用 强度的大小来确定相应的防护措施，设计合理的防护结构，选择耐腐蚀材料，应用新的 抗腐蚀方法。 (5)机械传动装置设计 产品在完成信号的产生、放大、变换、发送、接收、显示和控制的过程中，必须对 各种参数（电的或机械的）进行调节和控制。因此，需要设计相应的机械传动装置或执 行元件来完成这个功能。这里除了常规的机械传动装置设计外，主要是与电性能密切相 关的转动惯量、传动精度、刚度和摩擦等问题的设计。 (6)结构的静力与动力计算 对于运载工具中使用或处于运输过程中的电子产品，则要求有隔振与缓冲描施，以 克服由于机械力引起的材料疲劳应力和结构谐振而对电性能的影响。对于薄壁和型材的 机柜（机壳）结构，则还要考虑结构的强度、刚度和稳定性问题。 (7)连接设计 产品中存在着大量的固定、半固定以及活动的电气接点，实践证明，这些接点的接 触可靠性对整机或系统的可靠性有很大的影响。因此，必须正确地设计和选用固定连接 的工艺，如钎焊、压接和熔接等。同时，还应注意对各种接插件和开关件等这些活动连 接件的选用。 (8)人机工程学在结构设计中的应用 产品既要满足电性能指标的要求，又要使产品的操作者感到方便、灵活和安全，同 时外形必须美观大方。这样就要求用人机工程学的基本原理来考虑人与产品的相互关系， 设计出符合人的生理和心理特点的结构，更好地发挥人和机器的效能。 (9)造型与色彩 的设计 产品的造型具有实用功能和使用功能，而电子产品的色彩可以给人以美的享受。 优秀的造型与色彩设计既可以节省物力和财力，又可以获得最大的经济效益。 ( 10)可靠 性试验 根据技术条件要求和产品的特殊用途，有时要对模拟产品和试制产品进行可靠性 试验或人工环境试验，分析试验的结果，验证设计的正确性和可靠性指标。 2.3.2 电子设备制造材料基础 电子设备材料是指在电子技术和微电子技术中使用的材料，包括介电材料、半导体 材料、压电与铁电材料、导电金属及其合金材料、磁性材料、光电子材料以及其他相关 材料。电子材料是现代电子工业和科学技术发展的物质基础，同时又是科技领域中技术 密集型学科。它涉及到电子技术、物理化学、固体物理学和工艺基础等多学科知识。根 据材料的化学性质，可以分为金属电子材料,电子陶瓷，高分子电子、玻璃电介质、云母、 气体绝缘介质材料，电感器、绝缘材料、磁性材料、电子五金件、屏蔽材料、压电晶体 材料、电子精细化工材料、电子轻建纺材料、电子锡焊料材料、PCB 制作材料、其它电 子材料。 2.3.3 电子设备制造工艺基础 以电子产品整机制造工艺为主线，分别是常用电子元器件的识别与检测、常用电子 测试仪器的原理及应用、绘图原理及 PCB 制板工艺、元器件的焊接工艺、电子装配工艺、 典型电子工艺设备制造以及掌握电子产品生产、制作的基本技能，了解电子产品先进的 生产工艺和生产手段 第3章 电子设备热设计 3.1 电子设备热设计 随着电子技术的迅速发展，电子技术在军用和民用的各个领域中得到了广泛的应用， 为提高电子元器件和设备的热可靠性以及对各种恶劣环境条件的适应能力，电子元器件 和设备的热设计和热分析技术得到了普遍的重视和发展。 自 1948 年半导体器件问世以来，电子元器件的小型化、微小型化和集成技术的不断发展， 使每个集成电路所包含的元器件数超过了 250 000 个。由于超大规模集成电路（vLsIC）、 专用集成电路（AsIC）、超高速集成电路（VHsIC）、无引线器件、表面贴装和多芯片 模块（MCM）等微电子技术，在结构、工艺、组装等诸多领域的不断发展，使微电子器 件及设备的组装密度和功率密度在迅速提高电子设备热设计的目的是为芯片级、元件级、 组件级和系统级提供良好的热环境，保证它们在规定的热环境下，能按预定的方案正常、 可靠的工作。热控制系统必须具有在规定的使用期内，完成所规定的功能，并以最少的 维护保证其正常工作的功能。 3.1.1 电子设备热环境和散热途径 随着电子技术的飞速发展,大功率、高功率密度器件被广泛研制和应用,而如何对这些 高功率器件进行合理、有效的散热,以提高其可靠性,却是非常困难。内容中主要探讨了电 子设备的冷却散热问题,介绍了冷却系统的设计原则以及冷却方式和冷却介质的选择,同时 对常用的风冷系统及设计时需要注意的问题进行了详细的分析,在电子设备热设计中的应 用,对一些新型导热材料的应用进行了展望。 热屏蔽和热隔离原理如图 3-1 所示。 图 3-1 热屏蔽和热隔离原理 3.1.2 电子设备热设计原则和步骤 对电子设备进行合理的热设计是为了用较少的冷却代价获得高可靠的电子设备。因 此，在热设计前必须首先了解下面几个问题： (1)电子设备（包括发热元器件）的热特 性 热设计的主要参数包括各个元器件（产品）的发热功率、发热元器件（或产品）的散 热面积，以及发热元器件和热敏元器件（或产品）的最高允许的工作温度及环境温度等。 电子设备冷却方法的确定及冷却介质流量的估算主要取决于这些数据的精确性。这些数 据一般由元器件制造厂提供，当这种资料不足时，设计者必须进行估算或由实验来确定 各个参数。在元器件排列之前，可将产品内的所有元件的热特性列成一个表格。这样， 结构上的排列便可根据元器件的电气性能和热特性综合进行考虑。 (2)元器件（或产品） 的环境温度 热设计者应该知道电子设备（或元器件）所处工作环境（例如，空用、海用、 地面和室内设备等）的温度。 通常以元器件（或产品）的环境温度及元器件（或产品） 的最高允许温度作为冷却系统中冷却剂进幽口温度，并以此作为进行热设计时初步估算 的参考数据。热设计必须满足两个条件：把产品的温度限制在某一最大和最小的范围内； 尽量使电子设备内各点之间的温差最小。 热设计的基本原则如下： 保证冷却系统具有良好的冷却功能，即要保证电子设备内的元件均能在规定的 热环境中正常工作。根据产品的热损耗值、用途及温升等要求来确定冷却方法。元器件 的配置必须符合散热的要求，在热回路中，元器件的发热表面到连接物之间的热阻（热 量传递过程的阻力）应尽量小，使元器件在允许温度下工作。 对密封电子设备，必须同时考虑内部和外部的两种热设计方案，使其从内部向外 部传热的热阻减至最小。 保证冷却系统工作的可靠性。不管环境如何变化，冷却系统必须能以重复的和预 定的方式完成所规定的功能。在规定的使用期限内，冷却系统的故障率应比元器件的故 障率低。因此，在冷却系统中要装有安全保护装置，例如，流量开关、温度继电器和压 力继电器等。 冷却系统要具有良好的适应性。因此，设计中对可调性必须留有余地，因为有的 产品在工作一段时间后，由于某些因素的变化，引起热耗散或流体流动阻力的增加，要 求增大其散热能力，以便无须多大的变更就能增加其散热能力。为了保护 I 作人员及产 品的安全，从冷却系统排出的废气不能有过多的毒性、腐蚀性和易燃物等。 冷却系统要便于维护，便于测试、修理和更换元件。 冷却系统的设计要有良好的经济性，使其成本只能占整个产品成本的一定比例。 设计一个较好的冷却系统必须综合各方面的因素，使其既能满足冷却要求，又能达到电 气性能的指标，所用的冷却代价最小，结构紧凑，工作可靠。而这样一个冷却系统往往 要通过一系列的技术方案论证之后才能得到。这里要遵循的原则是：最佳的热设计应是 能满足技术要求的最简单的方案。 3.2 电子设备的强迫风冷 1.设计的基本原则 整机强迫风冷却系统设计的重点在于合理控制气流和分配气流，使其按照预定的 路径通行，并将气流合理分配给各单元和组件，使所有元器件均在低于额定温度的环境 下工作。 在排列元器件时，应将不发热和发热量小的元件排列在冷空气的上游（即靠 近进风口），耐温性低的元器件排列在最上游，其余元件可按它们的耐温的高低，以递 增的顺序逐一排列。对那些发热量大，而导热性能差的元器件，必须使其暴露在冷气流 中；而导热性好的，体积较大的变压器、电感类器件可依靠导热方式，将其热量传到附 近有冷空气流过的底板上。 在不影响电性能的前提下，将发热量大的元器件集中在一 起，并与其他元器件采用热绝缘的办法，进行单独的集中通风冷却。这样可使系统（或 单元）所需的风量和风压显著下降，以减少通风机的电机功率。 为了降低冷空气的输 送阻力，各元器件在单元内排列时，应力求对气流的阻力最小，尽量避免在风道上安装 大型元件以防造成阻塞。 整机通风系统的进、出风口应尽量远离，以避免气流短路。 为提高主要发热元件的换热效率，可将元器件装入与其外形相似的风道内，进行单独 的集中通风冷却。 2强迫风冷系统的基本形式 (1)单个元器件的强迫风冷 在工程上常常会遇到这样的问题：在整机的机箱中，只 有单个电子器件需要冷却，例如，显示卡上的信号处理模块和计算机中的 CPU 等需进行 单独集中风冷。这时可选择合适的通风机、风扇和（或）设计一个专用的风道，将需要 泠却的元件（如大功率器件）装在该系统内进行强迫通风。 (2)整机的抽风冷却 整机的 抽风可分为有风管与无风管两种形式。有风管的抽风，其风管可以装在机柜的后侧，也 可以放在机柜的两侧，视具体情况而定。风道口的大小可根据每个分机或插箱的热损耗 来确定。 抽风冷却主要适用于热耗散比较分散的整机或机箱。热量经专门的风道或直接 排到设备周围的大气中。抽风冷却的特点是风量大，风压小，各部分风量分布比较均匀。 因此，整机的抽风冷却常用在机柜中各单元热量分布比较均匀，各元件所需冷却表面的 风阻较小的情况下。由于热空气的密度较小，它有一个上升力，因此抽风机一般都装在 机柜项部或上侧面，出风口面向大气或设备周围的介质。 当各单元有热敏元件时，为防 止上升气流流过热敏元件，就需要有专用的抽风管道。此时应设计成上下各单元互不通 气。为防止灰尘吸入，可在进风口处装滤尘装置。 当机柜的中部或顶部各单元需要风冷， 但没有热敏元件时，可采用没有专用抽风道的形式，为了便于气流流通，机柜底板以及 中层各底板均需要开孔和开槽。为防止气流短路，只允许在机柜底侧开百叶窗或通风孔 和槽等。 (3)整机的鼓风冷却它也可以分为有风管道和无风管道两种。整机鼓风冷却的 特点是风压大，风量比较集中。整机鼓风冷却通常用在单元内热量分布不均匀，在风阻 较大、元器件较多的情况下，各单元需要有专门风道冷却。其中，有风管道形式，这样 便于控制各单元的风量。无风管道形式，只适用于在底层内具有风阻较大的元器件，且 上层无热敏元件的情况。 空气的出口温度应根据单元内各元件允许的表面温度来确定。 这种风量计算方法比较保守，因为它已经忽略了机柜四周对大气的辐射和自然对流换热 所散去的热量（假设机柜表面温度高于周围环境温度），因此所得风量偏大。 其中自然冷却技术如图 3-2 所示。 图 3-2 自然冷却技术 其中不发热元器件的热安装如图 3-3 所示。 图 3-3 不发热元器件的热安装 3通风管道的设计原则 对于有专门管道的强迫通风系统，正确地设计和安装通风管道对散热效果有较大的 影响。通风管道的设计应注意 F 面几个问题： 通风管道应尽量短缩，短管道可以降 低风道的阻力损失，同时也使制造和安装简单，节约材料。 尽可能用直管，直管不仅 容易加工，而且局部阻力小。但实际应用中，管子的弯曲是不可避免的，如一些大型机 柜的通风，由于设备是分层的空间安装，各个分机的通风管道就要根据各分机的散热量 进行分支和弯曲。当管道需要弯曲时，应采用局部阻力小的结构，并且最好在风速较小 的地方弯曲。 管道的截面尺寸和出口形状要选择合理。风道的截面尺寸最好和风机的 出口一致，以免因变挨截面而增加阻力损失。大功率元器件的送风管，截面形状应根据 元器件的形状而定，可以是圆形、椭圆形，也可以是正方形或长方形等。风道的截面尺 寸应能保持所需的 Re 数。 合理设计进风口的结构进风口的结构设计原则是：一方面 尽量使其对气流的阻力最小：另一方面要达到滤尘作用。两者之间是相互矛盾的，常常 为达到滤尘的目的，就不得不降低第一个要求。在滤尘要求不严的情况下进风。二、三 层交叉排列、外层折成波浪形的滤尘装置，其滤尘效果较好；泡沫塑料加金属网的结构 形式，泡沫塑料滤尘器的厚度应在 20 mm 以上，为了便于拆洗滤尘器，可做成单独部件， 四周用边框固定，清洗时可拆下。 在某些情况下，电子设备的