电子产品结构可靠性与防护设计.ppt

电子产品结构可靠性与防护设计 一 电子产品结构设计 普通电子产品的结构设计 是相对比较简单的一种机械设计 主要任务是为电路提供一个保护外壳或安装支撑平台 一般没有运动机构部分 不必考虑磨损和应力 材料的选择和工艺处理也比较简单 电子产品有自身的特殊要求 电磁屏蔽 便于操作 容易安装与拆卸 使外形具有商品的时代感等 但对于不同的应用环境 还有不同的要求 抗振动 冲击 热设计 防水设计 防爆设计 本安 防腐蚀设计 低气压 电子产品结构系统 在电子产品中 安装了电子元器件及机械零 部件 使产品成为一个整体称为电子产品的结构系统 这种结构系统包括 机箱 机架 机柜结构 分机插箱 底座 积木盒结构 导向定位装置 面板 指示 操纵装置 机柜插箱 电子产品的组织结构 电子系统 整机 整机 整机 部件 零件 部件 部件 零件 零件 电子产品的整机在结构上通常由组装好的印制电路板 接插件 底板和机箱外壳等构成 电子产品的结构设计 是把构成产品的各个部份科学有机的结合起来的过程 是实现电路功能指标 完成工作原理 组成完整电子装置的过程 包括元材料的选用 模块及印制电路板的尺寸设计 模块间连接安装 产品的外形设计 抗干扰措施及可维修等等方面 结构设计要求 保证产品技术指标的实现 工作可靠 性能稳定 良好的结构工艺性 适合批量生产或自动化生产 贯彻执行标准化 零件 部件 模块 插箱 机柜等 体积小 重量轻 造型美观大方便于设备的操纵 安装与维修 电子产品结构工艺性要求 结构装配工艺应具有相对的独立性 模块化 机械结构装配应有可调节环节 以保证装配精度 可装配性 机械结构装配中所采用的连接结构 应保证安装方便和连接可靠 结构牢固性 机械结构装配应便于产品的调整与维修 维修可到达 线束的固定和安装要有利于组织生产 并使整机装配整齐美观 生产便利 要合理使用紧固零件 提高产品耐冲击 振动的措施 应保证线路连接的可靠性 操用调谐机构应能精确 灵活和匀滑地工作 人工操作手感要好 总体规划 如 外形 材料 工艺 确定方案 多种方案比较 理论计算 散热 重量 重心 尺寸等 模拟与试验 需要的话 二维与三维CAD 用三维可实现装配的模拟 注意优化 可靠性 性价比 尽量采用标准化 通用化零部件 结构设计方法 流程 结构设计的一般方法 1 熟悉设备的技术指标和使用条件2 确定结构方案3 确定机壳的尺寸和所用的材料4 进行总体布局 随着电子产品范围的不断扩大 其功能日趋复杂 结果是产品的组件数目 体积 重量 耗电量和成本增加了 而可靠性却在下降 解决这个问题的主要方法就是在产品中大量采用集成电路 功能集成件和系统功能集成件 这就导致电子设备结构的变革 使产品组装电路的结构微型化 产品结构进一步组合化 典型代表 从 大哥大 到智能手机 微型化结构的特点 电阻器 电容器 导线大都是在介质衬底表面上制成薄膜结构形式 二 三极管则是在半导体衬底的表面层上制成扩散结构形式 把很多组件结合 集成 到一块衬底上 结果便得到结构上完整的功能部件 但难以满足电磁兼容性和热兼容性的要求 也难以使产品有高的成品率 使用小型分立组件 接头 滤波组件 匹配组件 指示元件 转接元件等 采用新的特殊方法来保证对热作用和机械作用及潮湿作用进行防护 产品的尺寸在很大程度上取决于指示元件和控制元件的尺寸 材料用量少 在大批量生产时成本有可能很低 电子产品的组装结构形式 1 插件结构形式2 单元盒结构形式3 底板结构形式4 插箱结构形式 台式计算机系统造构 插件结构形式 程控交换机 单元盒结构形式 底板结构形式 DVD机 采用哪一种形式的组装结构取决于 1 电子设备的性能 技术要求 2 电子设备的复杂程度3 组装工艺性与生产批量 4 防护要求与使用要求 电子产品的电气连接方式 电气连接方法 电子产品组装部件间的电气连接 主要采用印制导线连接 导线 电缆以及其它电导体等方式进行连接 导线是能够导电的金属线 是电能和电磁信号的传输载体 1 导线材料 导线分类 可分成裸线 电磁线 绝缘电线电缆和射频电缆四类 导线 裸线 指没有绝缘层的单股或多股导线 大部分作为电线电缆的线芯 少部分直接用在电子产品中连接电路 电磁线 有绝缘层的导线 绝缘方式有表面涂漆或外缠纱 丝 薄膜等 一般用来绕制电感类产品的绕组 所以也叫做绕组线 漆包线 绝缘电线电缆 包括固定敷设电线 绝缘软电线和屏蔽线 用做电子产品的电气连接 射频电缆 包括用在电信系统中的电信电缆和高频电缆 有软性 半钢性 钢性 导线的构成材料 导线一般由导体芯线和绝缘体外皮组成 a 导体材料 主要有导电性能较好的铜线和铝线 纯铜线的表面很容易氧化 一般导线是在铜线表面镀耐氧化金属 如 普通导线 镀锡能提高可焊性 高频用导线 镀银能提高电性能 耐热导线 镀镍能提高耐热性能 线规 指导线的粗细标准 有线号和线径两种表示方法 线号制 按导线的粗细排列成一定号码 线号越大 其线径越小 英 美等国家采用线号制 线径制 用导线直径的毫米 mm 数表示线规 中国采用线径制 b 绝缘外皮材料 绝缘外皮除了电气绝缘外 还有增强导线机械强度 保护导线不受外界环境腐蚀的作用 导线绝缘外皮的材料主要有 塑料类 聚氯乙烯 聚四氟乙烯等 橡胶类 纤维类 棉 化纤等 涂料类 聚脂 聚乙烯漆 常见的塑料导线 橡皮导线 纱包线 漆包线等 2 安装导线 屏蔽线 结构与外形 常用安装导线 表1 表2 表3 选择使用安装导线 要注意以下几点 a 安全载流量 铜芯导线的安全载流量 25 一般情况下载流量可按5A mm2估算 b 最高耐压和绝缘性能 导线标志的试验电压 是表示导线加电1分钟不发生放电现象的耐压特性 实际使用中 工作电压应该大约为试验电压的1 3 1 5 c 导线颜色 选择安装导线颜色的一般习惯 d 工作环境条件 室温和电子产品机壳内部空间的温度不能超过导线绝缘层的耐热温度 电源线和地线要特别加以注意 当导线 特别是电源线 受到机械力作用的时候 要考虑它的机械强度 e 要便于连线操作 3 电磁线 具有绝缘层的导电金属线 用来绕制电工电子产品的线圈或绕组 作用是实现电能和磁能转换 常用电磁线的型号 特点及用途 表1 表2 常用电磁线的型号 特点及用途 4 带状电缆 电脑排线 导线根数有8 12 16 20 24 28 32 37 40线等规格 选用时一定要注意它的外形尺寸 5 电源软导线 选择电源线的载流量 要比机壳内导线的安全系数大 2 要考虑气候的变化 应该能经受弯曲和移动 要有足够的机械强度 RVB RVS YHR适合用作电源软导线 6 同轴电缆与高频馈线 阻抗与频率无关 具有一定特性阻抗的导线 但要注意频率衰减和通过功率 还有如 SFF 半钢性 钢性等等 7 高压电缆 高压电缆一般采用绝缘耐压性能好的聚乙烯或阻燃性聚乙烯作为绝缘层 而且耐压越高 绝缘层要求就越厚 耐压与绝缘层厚度的关系 8 网络连接馈线 双绞线 计算机网络通讯中 由于工作频率较高 信号电平较低 通常采用抗电磁干扰能力较强的双绞线作为各种设备之间的连接馈线 双绞线的标准接法能保证线缆接头布局的对称性 使接头内线缆之间的干扰相互抵消 RJ 45连接器 双绞线有两种接法 EIA TIA568B标准和EIA TIA568A标准 T568A线序12345678绿白绿橙白蓝蓝白橙棕白棕T568B线序12345678橙白橙绿白蓝蓝白绿棕白棕 9 FFC扁平排线 耐高温105度 主要特点 制造微型化 小巧 高密集成 节省空间 简化配线程序 连线简单 节省人力成本 柔性优良 应用灵活 可折叠 现在在小型产品中常用一种薄膜印刷条 FFC应用范围 打印机 扫描仪 音响 MP3 影碟机 数码相机 摄影机 传真机 复印机 LCD TV 移动电话 写真机等领域的信号传输及内部配线 FFC订做服务 排线间距 0 5mm 1 0mm 1 25mm 1 27mm 2 0mm 2 54mm 排线长度 25MMANY 排线屏数 4P 60P EMI对策 铜箔 铝箔 铜箔麦拉 铝箔麦拉 导电布 吸波材 折线等 排线型号 A B C D E F G H I J等 电子产品组装用的绝缘材料 1 绝缘材料的主要性能及选择 抗电强度 每毫米厚度的材料所能承受的电压 机械强度 每平方厘米所能承受的拉力 耐热等级 绝缘材料允许工作的最高工作温度 绝缘材料 绝缘材料的耐热等级 2 常用绝缘材料 薄型绝缘材料 主要应用于包扎 衬垫 护套等 包括 绝缘布 有机薄膜 粘带 塑料套管 绝缘漆 热塑性绝缘材料 热固性层压材料 云母制品 橡胶制品 1 配线使用不同颜色的导线便于区分电路的性质和功能以及减少接线的错误 整机布线及扎线工艺 布线处理 布线的顺序 2 布线原则 应减小电路分布参数 避免相互干扰和寄生耦合 尽量消除地线的影响 应满足装配工艺的要求 3 布线方法 整机的防腐蚀设计 1 防潮设计的原则 采用吸湿性小的元器件和材料 采用喷涂 浸渍 灌封 憎水等处理 局部采用密封结构 改善整机使用环境 如采用空调 安装加热去湿装置 三防 设计 洗衣机控制板采用塑胶灌封 2 防霉设计的原则 采用抗霉材料 例如无机矿物质材料 采用防霉剂进行处理 控制环境条件来抑制霉菌生长 例如采用防潮 通风 降温等措施 3 防盐雾设计的原则 采用防潮和防腐能力强的材料 采用密封结构 岸上设备应当远离海岸 三防设计 自喷三防漆 三防工艺 整机的防震设计 印制板上各元器件引脚线长应当尽量短 以增加抗振动能力 印制板应当竖放并进行加固 较重的器件应当进行加固 悬空的引线不宜拉的过紧 以防振动时断裂 运输机电产品时 应当加强防震措施 振动场合应用的机电产品 应有防震措施 防震内容 笔记本电脑硬盘的防震堪称典范 整机的电磁兼容性 EMC 设计 所谓电磁兼容就是设备在预期的电磁环境中能正常工作的能力 随着科学技术的迅速发展 现代各种电子 电气 信息设备及家用电器的数量和种类越来越多 性能越来越先进 其使用场合和数量密度也越来越高 这就使得电气电子系统内 设备内的相互干扰愈加严重 在这种情况下 要保证设备在各种复杂的电磁环境中正常地工作 则在结构设计阶段就必须认真考虑电磁兼容性设计 电子设备结构设计中常见的电磁干扰方式 1 传导干扰传导干扰一般是指通过电源 电缆 布线系统 接地系统引起的串扰 2 辐射干扰在高频情况下 电磁能量比较容易产生辐射 通常 在MHz以上 辐射就较明显 当导线长度超过四分之一波长时 辐射功率将很大 3 感应及耦合引起的干扰 电磁兼容设计的主要方法有屏蔽 滤波 接地等 1 屏蔽电磁屏蔽是利用金属板 网 盖 罩 盒等屏蔽体阻止或减小电磁能量传播所采取的一种结构措施 常用的方法有静电屏蔽 磁屏蔽和电磁屏蔽 电子设备结构设计人员在着手电磁兼容性设计时 必须根据产品所提出的抗干扰要求进行有针对性的电磁屏蔽设计 1 静电屏蔽静电屏蔽主要是为了抑制寄生电容的耦合 使电路由于分布电容泄漏出来的电磁能量经屏蔽接地而不致于串入其它电路 从而使干扰得到抑制 静电屏蔽的基本方法是采用低电阻率材料作屏蔽体 在感应源与受感器之间加一块与机壳接触良好的金属隔板网 罩或盒 可用铜 铝材做屏蔽外壳 要求不高的也可用钢材 机壳必须是导电良好 稳定可靠的导电体 静电屏蔽必须保证良好的接地 否则屏蔽效果将大大下降 2 磁屏蔽磁屏蔽主要是针对一些低阻抗源 例如变压器 线圈及一些示波器 显示器就可考虑用磁屏蔽 良好的低频屏蔽必须具有合适的电导率和高磁导率 磁屏蔽的基本方法是用高磁导率材料 如铁镍合金 镍铅合金 纯铁 铜作屏蔽材料 做成屏蔽罩 磁屏蔽罩在结构上按加工工艺不同一般可分为两类 一类为用平板坯料深冲成形的 另一类为焊接成形的 3 电磁屏蔽电磁屏蔽就是对高频电磁辐射的屏蔽 电磁屏蔽的主要方法是用金属材料做成屏蔽壳体 金属材料可以是铁磁性材料 也可以是非铁磁性材料 通过对电磁场的反射和吸收损耗起到屏蔽作用 盖板与合体间的接触通过柔性导电材料 大大提高屏蔽效果 如 导电橡胶 金属薄膜加柔性材料 金属齿簧 对辐射或敏感部分局部屏蔽 对电源线缆 控制线缆的加防波套屏蔽 2 滤波电路中的干扰信号常常通过电源线 信号线 控制线等进入电路造成干扰 所以对公用电源线及通过干扰环境的导线一般均要设置滤波电路 滤波方式可以分为有源滤波和无源滤波 滤波特性可根据需要设计成带通 高通 低通滤波器 电源线 控制线高低频滤波 电磁兼容之电源滤波 接地问题在电磁兼容性设计中也是一个极其重要的问题 正确的接地方法可以减少或避免电路间的互相干扰 根据不同的电路可用不同的接地方法 射频地 电源地 控制地 3 接地 1 组合单元电路接地 串联一点接地 这种情况下 一般把接地点放在低电平处 这种接地方法最简单 抑制干扰能力差 仅适用于低频电路 并联一点接地 这种接地法各电路地电流自成回路 彼此独立 避免了各单元电路的相互串扰 但接地电阻较大 如上图所示 当工作频率较高时 地线产生辐射干扰 所以 并联一点接地也仅适用于低频1MHz以下电路 多点接地 多点接地其接地电阻较小 在高于10MHz时可用多点接地 但此时总地线应适当宽些 长度也不宜过长 最好不超过0 15波长 同时 地线与机壳应绝缘 2 整机的接地整机接地方式也是保障产品电磁兼容性的主要措施之一 由于其功能不同 故电路差别甚大 接地状况也不大相同 一般常用的方法是 将模拟电路 数字电路 机壳分开 各自独立接地 避免相互间的干扰 最后三地合一接入大地 这种方式较好地抑制了电磁噪声 减少了数字信号和模拟信号之间的干扰 9 EMI辐射测量原理 电子设备产生电磁辐射的时候 在其周边就会存在交变电磁场 位于交变电磁场中的导体会产生感应电动势 并在导体中产生位移电流 如何把感应电动势或位移电流取出来进行分析 这是一个测量方法问题 上图采用单极子天线来对共模辐射信号进行测量 与GTEM小室 又称吉赫芝横电磁波室 的工作原理有点相似 但在实际应用中 一般都采用双极子天线 双极子天线属于谐振式天线 当测试信号的频率正好等于天线的谐振频率时 天线有很高的增益 其缺点是需要配备很多不同频率的接收天线 共模辐射是EMI辐射中最严重的一种干扰 此图为共模辐射测量工作原理图 C1 C2为分布电容 V1为频谱仪或示波器 或带检波头的其它测量仪器 9 1自制EMI辐射测试天线 标准测试应该在电磁暗室中进行 自制EMI辐射测试天线 此天线为电 磁组合天线 可用双面PCB板制作 先用自制天线对辐射干扰进行测试 两者可以进行对比试验 待对试验结果认为满意后再送正式测试 可大大降低开发成本 自制天线为电 磁复合天线 磁场电线主要接收信号频率的低端 电场天线主要接收频率的高端 9 1 1用自制天线对EMI辐射进行测试 自制天线用双面PCB板制作 一面为螺旋线圈天线 另一面为半波振子天线 螺旋线圈天线为磁场接收天线 我们可以把它看成是变压器的次级线圈 而初级线圈就是被测试电子产品中的高频电流回路 主要用来接收150KHz 5MHz的磁场辐射信号 这种天线的灵敏度比较高 这种天线用来接收频率较低的干扰信号性能特别优越 如要接收较高频率的干扰信号 则要减少螺旋线圈的匝数 以减小线圈的分布电容 半波振子天线主要用来接收频率较高的干扰信号 当天线两个振子的长度正好等于接收信号的半个波长时 天线会产生谐振 这时天线的接收灵敏度为最高 天线的增益比工作在非谐振状态高出好几倍 为了提高灵敏度 最好多做几组不同工作频率的振子天线 一般某个电子产品 主要是开关电源 EMI干扰超标的地方只有一两个频率点 自制测试天线只需针对某一两个频率点进行测量 并进行技术改进即可 有了测试天线 才能进行对比试验 不断提高产品的EMC质量水平 测试仪器最好用频谱仪 也可以用高频示波器 9 2自制带检波器的EMI辐射测试天线 C1 C2为贴片高频电容 D1 D2为微波二极管 R为贴片电阻 V为数字电压表 或微安电流表 振子天线也相当于是两个谐振频率不同天线的组合 目的是曾大带宽 信号在PCB板导体中传送的速度与导磁率的二分之一次方成反比 与介电常数的二分之一次方成反比 假设PCB板的介电常数为4 则信号在PCB中传送的速度大约为电磁波在真空中传播速度的二分之一 大多数PCP板的介电常数都在2 10之间 带检波器测试电线相当于一个场强仪 使用很方便 9 2 1 用带检波器的测试天线对EMI辐射进行测量 自制测试天线 最好根据不同的测试频率做成一个系列 每个天线大约可以接收F0 30 的频率范围 EMI辐射的频率范围标准要求为 30 1000MHz 但在实际测试过程中 只需测试 30 300MHz即可 因为一般开关电源的最高辐射频率到不了300MHz 在对电子设备进行辐射干扰信号测量之前 最好先找一台已经认证合格的机器 同一型号 进行测试 然后把测试结果记录下来 把测试结果与认证合格机器的数据进行对比 并把测试结果进行规范化 天线接收信号强度与距离的平方成反比 记录测试结果时一定要把距离也记上 所谓对测试结果进行规范化 就是把一台认为合格的样机 用不同规格的天线测试得到的数据记录进行填表 然后把表中的数据全部定义为0db XuV 如 P1 0db 20uV P2 0db 30uV P3 0db 40uV P4 0db 10uV 等等 只要后面试验样机的测试结果大于多少db 如 6db 就算不合格 如 测得T5 与P5对应 为20uV 等于6db 10uV 则说明T5点干扰频率超差 9 2 2 对测试结果规范化 先找一台合格样机作对比 分别用自制天线对样机的各个方向进行辐射测试 取最大值作为原始标准数据 把标准数据定义成0db 或根据测试结果计算出0db对应的数值 并标在图上 下次测试结果一一与图中数据对比 并按db数标出 db数值按对数规律变化 每6db数值增加一倍 每3db增加1 414倍 每2db增加1 26倍 每1db增加1 12倍 进行db运算时 只需记住这四个基本数值即可 例如 P5为 0db 10uV 对应T5则为 6db 20uV 两者相差6db 数值正好相差一倍 9 3 巧用示波器对EMI敏感器件进行检测 把示波器信号输入线的双线短路 就是一根很好的近场电磁感应天线 用它靠近PCB板上的各个电流回路 就可以观测电流回路感应信号的强度 还可以检测开关变压器漏感或电感线圈产生的辐射信号 巧用示波器 1 电场天线接收频率的范围大约为 环路周长等于20分之一波长到半个波长 而作为磁场感应天线 其接收信号的频率相对电场天线还要低一些 把示波器信号输入线的双线张开 就是一根很好的振子天线 用它靠近开关电源的各部分电路或器件 就可以观测各种干扰辐射信号的强度和频率 把夹子一端接大地 就可以直接测量各部分电路的差模干扰信号或共模干扰信号 或用探头靠近各个电路中的导线或器件 还可以检测该处的电场辐射信号强度 巧用示波器 2 振子天线接收频率的范围大约为 振子长度等于20分之一波长到半个波长 9 4 自制测试工具 9 4 1自制电流卡钳 所有产品 只能用同一工具 和同一方法 进行测试 对比 铁氧体磁芯 电流卡钳的工作原理 M 互感 N 线圈匝数 S 磁芯面积 B 磁通密度 电磁场探头 磁场探头 9 4 2自制近场测试探头 所有产品 只能用同一工具 和同一方法 进行测试 对比 9 4 3用近场探头探测 地雷 9 4 5绘制EMI辐射地形图 整机的热设计 热设计就是根据电子元器件的热特性和传热原理 采取各种结构措施控制电子产品的工作温度 使其在允许的范围之内 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 保证可触及件不会因过高温度而使人烫伤 电击防护用的绝缘材料不因过热导致绝缘性能下降 可燃材料和元件不会自燃 不会因过热导致材料变形引起电气间隙和爬电距离减小 不会引起某些材料和元件挥发出有毒或可燃气体 传热的基本理论是进行热设计的基础 不同的传热方式有不同机理 因此只有掌握了传热过程的基本理论 设计方法及实验方法 才能有效解决电子产品热设计中的各种实际问题 热分析 热设计 示例 热分布 热分析 热设计 示例 热分布 热分析 热设计 示例 温度剃度分布 返回 半导体功率器件安装示意图 半导体器件散热 1 散热原理2 散热器及其安装 半导体器件的基本结构是PN结 而PN结的性能与温度密切相关 为了保证器件正常工作 必须规定最高允许的结温Tjm 与最高结温对应的器件的耗散功率即是器件允许的最大的耗散功率 器件正常工作时不能超过最高结温和功率的最大允许值 否则器件的特性与参数将要发生变化 甚至因为电极或半导体层的熔化而永久失将效 但半导体器件在传递和处理电能的同时 也要通过电 热转换消耗一部分电能 为了保持器件的正常工作 由消耗电能转换而成的热量必须及时传出器件并有效的散发掉 这就涉及到散热原理与散热措施两方面的内容 1 散热原理 自然散热的方式 热力学原理 热传导热对流热辐射 半导体器件的主要发热部位在半导体芯片内部 由消耗电能产生的热量首先通过热传导转移到管座 外壳的底座 和散热器上 然后经热传导 对流和辐射等多种传热形式散发给空气或水等吸收介质 在这些散热方式中 辐射散热的热量很少 通常只占1 2 在利用空气散热的自然冷却和风冷方式中 对流是热量从管座或散热器向空气散失的主要方式 当用水或其他液体散热时 散热器壁与散热介质之间的热传导则是主要的散热方式 规定的最高结温 允许的结温 远低于其本征失效温度 芯片面积大 温度分布不均匀 硅功率二极管 135 150 军用设备 125 130 超高可靠性设备 105 器件Tjm 热传输与电传输有很大的相似性 其过程 其过程也有稳态 管芯发热率与散热率相等 结温不再升高 处于热均衡状态 和瞬态 升温或降温的过渡过程 1 稳态热阻 热传输遵从热路欧姆定律 T 冷热端的温差 k 类似电压 Pd 功率耗散 即热流 散热速率 类似电流 单位时间内产生的热量 W R 热阻 k w 稳态热阻 h 散热系数k 热导率A 散热面积L 热流路程长度 散热设计的主要任务就是根据器件的耗散功率设计一个具有适当热阻的散热方式和散热器 以确保器件的芯片温度不高于最大结温Tjmax 设散热器的环境温度为Ta 则芯片到环境的总热阻 总热阻R j a分成三部分 a 内热阻R J C 从管芯到管壳的热阻b 外热阻R C S 从管壳到散热器的接触热阻R S a从散热器到环境介质的散热器热阻 若考虑从管壳到环境的直接传热作用 R j a更复杂 半导体器件稳态散热过程的等效电路 对于器件用户来说 结壳热阻R J C是不能改变的一个器件因素 它同Tjmax 最大功耗Pdm一起决定壳温的上限 接触热阻R C S的大小与多种因素有关 它不但取决于器件的封装形式 界面平整度和散热器的安装压力 还取决于管壳与散热器之间是否加有绝缘垫片或导热硅脂 增加安装压力可减小R C S 涂导热脂可降低R C S 但加绝缘垫片可使R C S增加 2 瞬态热阻抗 当功率器件工作在开关模式之中时 其峰值结温与平均结温有一定的差别 在电流脉冲的持续时间较长 占空比也较高的情况下 峰值结温有可能非常接近平均结温 这时 热阻的概念仍然适用 tp 器件导通时间 矩形脉冲 若幅值为Pp 则其平均值 在脉冲较短 占空比比较低的情况下 峰值结温有可能远高于平均结温 成为器件工作特性的主要限制因素 这时的结温高低不仅与器件的消耗功率有关 还在很大程度上决定于电流脉冲的形状 持续的时间和重复的频率 因而热阻的概念不再适用 须用瞬时热阻抗这个新概念代替 其反映了热传体的热惯性在热量传递的瞬变过程中对热阻的改变 用Z 表示 r tp 是一个与脉冲宽度tp及占空比有关的比例因子 本质上也就是以稳态热阻为1的归一化瞬态热阻抗 2 散热器及其安装 散热器是以对流和辐射的方式将热能传到环境中去的 散热器的热阻R S a与散热器的材质 结构 表面颜色 冷却方式及安装位置有关 散热器的形状 1 平板型 2 叉指型 3 型材型 散热器的表面 涂黑色漆或钝化 目的是提高辐射系数 可减小10 15 的热阻 散热器的安装 应垂直安放 因为热气流密度轻 自然向上流动 以形成 烟囱效应 便于散热 热阻可减小15 20 散热器的冷却方式 自然冷却 依靠空气的自然对流及辐射 结构简单 无噪声 但散热效率低 风冷 强制通风 加强对流的散热方式 为自冷散热效率的2 4倍 噪声大 水冷 散热效率极高 为自然散热的150倍 冷却介质有水 变压器油 投资高 主要有铝板或铝型材料制成 价格低 另外还有铜 镁和钢等材质 散热器的材质 散热器的安装 几种主要外壳封装的半导体功率器件的R jC值 几种主要外壳封装的半导体功率器件的R CS值 铝质平板散热器的热阻 注 散热器垂直放置时取下限 水平放置时取上限 铝质平板散热器的热阻 总结 工艺角度 在安装散热器时还应注意以下几点工艺问题 1 散热器与器件的接触面应平整 在整个接触面内测量 平面度误差不大于0 1mm 2 在器件与散热器接触面之间最好涂一层硅脂或凡士林 以增加导热性能 减少热阻 3 一般用M3或M4的螺拴将器件紧固在散热器上 相应的紧固扭矩大约是3 4N m 扭矩太小会增加热阻 扭矩太大则会使螺拴 螺母系统产生非弹性变形 反而减小紧固力 甚至使螺拴 螺母系统滑扣而失效 4 散热器经表面电氧化处理后表面呈黑色 可提高散热效果 5 大部分的功率半导体器件的金属外壳同时作为一个电极使用 当器件的金属外壳对应的电极要求对散热器有电绝缘要求时 应使用专用的云母或聚脂绝缘垫片和绝缘垫圈紧固器件 并应在安装后检查确保绝缘良好 6 如果设备的结构紧凑 空间位置不允许安装足够尺寸的散热器 或器件周围的空间较小 不能保证足够的空气对流 则应考虑使用强制冷却的方法 即在设备内安装冷却风扇 使用体积较小而面积较大的翅式散热器可得到比平板散热器更好的散热效果 一种内部充有优良导热液体的热管散热器 散热性能更为优良 已经逐步应用在高挡的音频功率放大器上 机壳的热设计十分重要 设备的工作热可通过机壳的传导和辐射散出机外 通过合理的开孔 可形成对流通风散热 加速设备的工作热的散发 由于机壳设计时要考虑其防触电性能和防火性能 在材料和厚度的选择上余地不大 因此机壳的热设计主要考虑以下几点 1 机壳热设计 3 电子产品的热设计 1 合理选用机壳的颜色选用黑漆涂覆能增加散热效果 内表面涂黑漆可降低机内温升 促使机内发热元件的散热 外表面涂黑漆能降低即可表面温升加速机壳的热传导和热辐射 2 合理开通风孔 形成自然对流散热通风孔的进出气口 应尽量设在整机温差最大的两处 进风口应尽量底 出风口尽量高 并且孔的位置要靠近发热元件 风扇 散热器 插箱后面板有风扇 2 发热元件的处理尽量置于易于通风散热的地方 增加发热元件的散热面积 例如 对大功率晶体管增加散热片 采用适当的降额设计 减少功耗 3 合理选用热保护装置为防止在故障条件下引起过高的温升 可适当加装过温保护装置 来及时切断电源 热保护装置分为二类 一类为不可恢复型 例如 热熔断体 另一类为可恢复型 即断开后 当温升下降后能自动恢复工作 这类元件有PTC元件 双金属片热保护器等 4 选用适当的散热方法 1 风冷式散热风扇 散热片 2 水冷式散热散热器 水管 水泵 3 半导体制冷法利用半导体制冷器 4 热管散热法在热管里填充特制的液态导热介质 使热量均匀地散发到散热器的各个散热翅片上 极大的提高散热片的导热性能 5 液氮散热法 6 软件降温法软件散热可以让CPU在没有工作或工作比较清闲时 让CPU休息 从而减少CPU的耗电 使温度下降 7 散热片散热 与多个发热元件面整体连接并传导到插箱外壳是密闭式设备的常用有有效做法 8 风扇散热 谢谢 模块 返回 三防设计技术 环境 自然 适应性设计三防设计技术 三防体系设计文件 第二层次 第二层次 设计文件金属及非金属材料的选用设计规范 表面处理 金属镀层 化学转化膜及有机涂覆层的选用规范 结构件三防设计规范 4 PCBA敷形涂覆的材料和工艺 5 关键辅料的选用规范 三防体系设计文件 第三层次 第三层次 支撑性设计文件关键工艺的工艺规范 作业指导书 关键材料和结构设计的试验数据 研究报告 产品 部件的质量控制 检测方法及三防试验数据 产品售后的三防性能 市场返回的三防事故定性 解决方案 结果 结构件 外购件的三防性能及质量控制 其它有关三防质量控制的信息和文件 三防体系的建立与技术管理 三防设计1 定义根据电子设备寿命期环境剖面及三防等级要求 对其系统设备和某些特定单元及部件采取的防湿热 防霉菌 防盐雾腐蚀的设计思想 设计方法和防护工艺措施 2 原则将三防设计纳入到系统和设备的功能设计中 避免单纯的工艺防护和事后补救措施 按规范设计 避免设计的随意性 三防新设计 新工艺 新材料必须经试验 评审并制定典型工艺规范 设备及关键部件的三防性能 须按军标中有关规定进行试验 以满足必需的环境适应性要求 跟踪设备在 使用 寿命期内所出现的三防问题 环境 自然 适应性设计 1 环境条件分类a 按自然气候分 如湿热 干热 暖温 寒温 寒冷 b 按产品所处状态 如运输 贮存 使用等 c 按产品使用场合 室内 室外 舰船 车载 机载 d 按环境因素的属性 如气候 机械 生物 电磁 特殊介质 第四种分类法是70年代后期国际电工委员会推荐的分类法 适合于电工 电子产品 环境 自然 适应性设计 2 1 1 气候类型与环境因素 环境 自然 适应性设计 3 2 相关术语1 寿命期环境剖面 Lifecycleenvironmentpro LCEP用以表征设备在整个寿命期内会暴露于其中的环境或环境的综合 LCEP应包括以下内容 a 从设备出厂验收 运输 贮存 使用 维修直到报废所遇到的环境应力的综合 b 每个寿命期阶段的环境条件相对和绝对限期出现的次数及频度的可能性 c LCEP是设备制造商在设计前应了解的信息 包括 使用或部署的地域 设备要安装 贮存或运输平台 有关相同或类似的设备在此平台环境条件下应用状况 LCEP应由设备制造商的三防专家制定 是设备三防设计和环境试验剪裁的主要依据 它对要研制的设备在真实环境下的性能和幸存性方面的设计提供依据 它是个动态文件 一旦得到新的信息 它它应当定期修订更新 LCEP应在设备的设计规格书中环境要求部分出现 环境 自然 适应性设计 4 2 平台环境 Platformenvironment 设备由于被连接到或装载于某一平台上后而经受的环境条件 平台环境是由此平台和任何环境控制系统诱发或强迫作用造成的结果 3 诱发环境 Inducedenvironment 主要是指人为的或设备产生的某一局部环境条件 也指自然环境强迫作用和设备的物理化学特性综合影响造成的任何内部条件 4 环境适应性 Environmentaladaptability 电子设备 整机 分机 元器件以及材料在预期的环境中实现其功能的能力 环境 自然 适应性设计 5 3 环境类型和三防等级 环境 自然 适应性设计 6 4 结构件分类 按所处环境划分4 1 型表面和 型表面 环境 自然 适应性设计 7 4 2结构件分类a 型结构件 处于 型面的结构件 b 型结构件 处于 型面的结构件 环境 自然 适应性设计 8 4 2结构件类型按设备工作时所处的自然环境 将结构件分为 型结构件和 型结构件两类 除安装或工作时能与自然环境直接接触的外露零件外 大多数零件属于 型结构件 型结构 环境 自然 适应性设计 9 6 环境因素及其影响 5 环境因素及其影响5 1温度5 2湿度5 3粉尘5 4盐雾5 5游离腐蚀性气体 SO2H2SSO3 5 6霉菌5 7昆虫 啮齿动物5 8太阳辐射 紫外线 臭氧 5 1温度的影响 温度的影响 1 温度有利一面高温对驱潮湿有利 并可防止凝露及露点的产生 2 负面影响当设备工作时会产生热量 机柜内部气压升高而气体外溢 而不工作时气温下降 则外部湿气及污染物会进入机柜内 5 2湿度 设备和工程材料腐蚀过程中 水是主要的介质 当大气中RH 20 几乎所有腐蚀现象都停止 因此防潮是三防中最重要的一环 当RH达到60 时 设备表面层会形成2 4个水分子厚的水膜 当有污染物溶入时 会有化学反应产生 当RH达到80 时 会有5 20个分子厚的水膜 各种分子都可自由活动当有碳元素存在 可能产生电化学反应 临界湿度 CriticalR H 一种物质明显吸收水份的湿度 例如 a 氯化钠 当在20 时 CRH为75 b 铁或钢 当在20 时 CRH为65 c 锌合金 当在20 时 CRH为70 水分子很小 足以能穿透某些高分子材料的网状分子间隙而进入内部或通过涂层的针孔而达到底层金属产生腐蚀 潮湿 冷凝 对电子设备而言 潮湿是以三种形式存在 雨水 冷凝和水汽 水是电解质 能溶解大量的腐蚀性离子对金属产生腐蚀 当设备的某一处的温度低于 露点 温度 时 该处表面 结构件或PCBA会有凝露产生 影响电路板的主要是凝露和灰尘 当凝露的水分蒸发后 污染物就会以一圈的形式残留在电路板上 其中硫酸盐占的比例为25 60 这一圈将是吸附潮湿 腐蚀PCB及器件的源头 潮湿同时是酶菌 盐雾的载体 潮湿 湿热的影响 破坏防护渡层 加速电化学腐蚀 结构件锈蚀 影响外观及功能 对电路板 PCBA 可产生电流泄漏 信号串扰 枝晶生长 导线断开 绝缘材料受潮使绝缘电阻和耐压水平下降 造成短路 爬电 飞弧甚至于火灾 射频接口对潮湿更敏感 微波器件功率下降 甚至于失效 EMIS衬垫 铝合金产生电化学腐蚀而EMC失效 5 3粉尘 粗尘 粗粉尘是直径在2 5 15微米的不规则颗粒 一般不会引起故障 电弧等问题 但影响连接器的接触 细尘 细尘是直径小于2 5微米的不规则颗粒 细尘落在PCBA 单板 上有一定的附着力 须通过防静电刷才可除去 细尘的腐蚀性很大 尤其是当含有腐蚀性的酸 碱 盐时 当RH大于60 时 能透过阻焊膜或敷形涂层将铜导线腐蚀断开 粉尘 盐雾 湿热对PCBA的腐蚀最大 C类区域常见的案例 粉尘的成分 大气中的污染物有三种存在形态 以气体形式 H2S 悬浮的有机或无机酸 硫酸 盐酸 离子悬浮棵粒物 所有这三类形态都依赖于潮湿才起腐蚀作用 气态腐蚀物在大气存在时间很短 会产生化学反应或被地表吸收 而悬浮的颗粒吸附离子污染物沉降于电子设备的内部而造成故障 这是野外电子设备失效的共同之处 细尘中可溶性盐类的含量 不同地域含量差别较大 沿海和被污染环境最高含量可达20 以上 有关细尘的检测数据 某城市的一次细尘分析 污染物的来源 硫酸根离子酸雨 主要是燃煤产生SO2导致酸雨 铅 酸蓄电池的排放气体化工厂 电镀厂的排放物 2 卤素 氯离子 的来源海洋大气环流 海风夹带的盐雾可深入大陆20 50Km 悬浮于空气被风扇带入设备内部 土壤中含有盐碱 地 或在盐湖沙漠区域 沙尘中含有盐碱 粉尘的危害及防护 粉尘的危害性由于粉尘沉降在PCBA表面 产生电化学腐蚀 故障率增加 粉尘 湿热 盐雾对PCBA损害最大 沿海 沙漠 盐碱地 淮河以南霉雨季节化工 矿区附近地区 电子设备故障最多 2 粉尘的防护密封或半密封防尘网 必需定期更换 须有备件及操作规程 定期清洁处理 刷除或清洗 5 4盐雾 盐雾的形成盐雾是海浪 潮汐及大气环流 季风 气压 日照等自然因素造成 会随风飘落至内陆 其浓度随离海岸距离而递减 通常离海岸1Km处为岸边的1 但台风期会吹向更远 2 盐雾的危害性使金属结构件镀层破坏 加速电化学腐蚀速度导致金属导线断裂 元器件失效 3 类似的腐蚀源手汗中有盐 尿素 乳酸等化学物质 对电子设备回产生与盐雾同样的腐蚀作用 因此在装配或使用过程中应戴手套 不可裸手触摸镀层 焊剂中有卤素及酸性物 应进行清洗 并控制其残留浓度 5 5有害气体 大气中污染物存在的形式以气体形式 如H2SSO2O3CONH3悬浮的有机酸和无机酸 离子悬浮棵粒 这三种形态都依赖于潮湿才能起腐蚀作用 局部微环境的有害气体橡胶 塑料 油漆 PVC导线 包装材料释放的有害气体 有害气体 H2SSO2乙酸 甲醛 有机气氛 挥发性有机硅类气氛等 RTV硅橡胶固化时释放的有害气体 在密封机箱内 禁用双组份缩合型硅橡胶 慎用RTV单组份硅橡胶 有害气体的危害性 1 银层变色H2S SO2及其它含硫气氛在潮湿和紫外线作用下使镀银件产生化学反应生成Ag2S 2 加速银离子迁移在潮湿和有电位差的条件下 银离子会发生迁移 而H2S SO2会加速其迁移 结果是厚膜电路引线间短路而造成灾难性后果 3 镀层阴极镀层 在潮湿条件下通过孔隙腐蚀底层金属 在电路板有电位差情况下会产生枝晶生长 造成短路 电弧和潜在的失火源 阳极镀层 对镀锌等阳极镀层会破坏钝化膜从而加速腐蚀 4 贵金属触点 中毒 5 6霉菌的危害 1 霉菌的危害霉菌吞噬和繁殖使有机材料绝缘性下降 损坏而失效 霉菌的代谢产物是有机酸 影响绝缘性及抗电强度而产生电弧 长霉表面影响外观 防范尽量选用不长霉的材料 如必须加防霉剂需考虑其它因素 5 7昆虫 噬齿动物 鼠害 啃噬电缆 破坏结构 破坏绝缘 垫窝引起短路 鼠尿引起腐蚀 在实际案例中 由鼠害导致的设备失效比想象的要多 5 8太阳辐射 紫外线 臭氧 1 光老化是对户外产品中非金属材料的重要试验项目 很多材料 如橡胶 塑料 在户外会因紫外线 臭氧作用而降解 失效 2 实验方法 大气暴露试验 真实 简单 环境多样性 但试验周期长 人工加速试验 快速 与大气暴露试验有较好的对应关系 3 加速实验材料 紫外线ASTMG53使用UVB310nm4h 60 4h 50 共1000h 臭氧ASTMD518暴露70小时 试样 氙灯GB12527 90 附录A 1006h臭氧GB12527 90 附录A 70h合格 不降解 无龟裂 强度变化 30 6 环保设计 指令及禁用物质 文件 指令 WEEEDirective 欧盟议会和欧盟理事会关于报废电子电气设备指令 DirectiveoftheEuropeanParliamentandoftheCouncilonWasteElectricalandElectronicEquipmentRoHS 欧盟议会和欧盟理事会关于在电气电子设备中限制使用某些有害物质指令 DirectiveoftheEuropeanParliamentandoftheCouncilontheRestrictionoftheUseofCertainHazardousSubstancesinElectricalandEquipment 从2006年7月欧盟市场禁用以下物质 铅汞六价铬镉多溴联苯 PBB 聚溴二苯醚 PBDE 等6种有毒物质 环保设计 回收率 环保标识 回收率回收率增加至设备重量的75 以上 组件 材料和物质再利用和再循环将增加至设备重量的65 以上 环保标识为便于分类收集生产者对投放市场的电子电气设备印有适当标志 标识 环保 分离回收 回收材料 设备分拆 包装材料等标识 环保设计 禁用物质的限量 三防设计技术 本章分二个问题讲解1 三防设计的重要性及典型案例分析2 结构材料和工艺选择2 1A类环境2 2B类环境2 3C类环境 三防设计技术 1 1 三防设计的重要性及典型案例分析 1 1造成三防事故的原因根据多年的统计分析 事故中属设计不当或设计错误占80 由加工或工艺问题占20 1 2造成三防事故的主要原因 没有设计规范的支撑 造成设计的随意性 对产品的 寿命期 环境剖面缺乏了解 认识上的片面 把三防技术仅看作是工艺问题 缺乏对三防 自上而下 管理的力度 三防失效案例一 选材错误 海上 舰船用 电子设备模块材料选用LY12 2A12 军检湿热240h 长白粉 采用喷三防漆保护 海上使用一年后 漆层底部长白粉 误认为长霉 应选用LF系列防锈铝合金或者LD31 6063 不选硬铝 三防失效案例二 电偶腐蚀 钛合金天线行架与铝合金接触 在沿海工作不到一年 由于电偶腐蚀而散架 无法修复 铝合金盖板与镀银件接触导致铝合金腐蚀 镀银模块于铝合金底座接触 导致铝底座腐蚀 镀银器件安装在铝合金面板上 湿热试验后导致铝面板腐蚀 器件外壳改为镀镍后 通过试验 SMA高频连接器 用镀锌螺钉 在湿热环境6个月后 彩锌螺钉生锈 应选用不锈钢紧固件 三防失效案例三 应力腐蚀 海军某舰 天线采用钢管焊接涂漆 二年后焊接处锈蚀而断裂 C类环境焊接处应力腐蚀 三防失效案例四 工艺设计 流程 错误 机柜侧门镀彩锌后喷烘漆或喷粉 内侧未喷或局部需导电而保护 湿热试验后镀锌部位长白粉 镀锌表面丝印文字符号 经高温烘拷后 彩锌钝化膜失效 湿热后长白粉 三防失效案例五 对环境剖面了解不够 在东南沿海 海南等盐雾地区工作的电子设备PCBA断线 器件失效 该地区湿热 盐雾沉降量大或尘土中含盐而导致电化学腐蚀的结果 三防失效案例六 设计思想 海岸 舰船大 中型密封腔 如天线罩 积水这是因为 暴露于大气的密封件不可靠 一旦密封失效 内部积水形成R H100 应设计成开放式结构 可采用防水透气阀 压力平衡器 使内腔与大气相通 三防失效案例七 不规范设计 某埋地设备由于采用平垫 拼接 造成雨季漏水 正确设计 低应力压缩密封 应采用 O 形圈或 D 形圈 不采用平垫 三防失效案例八 户外结构件锈蚀 户外设备 C类 B类环境 钢结构件锈蚀 紧固件锈蚀 解决方案 采用奥氏体不锈钢采用热浸锌 喷漆 底漆 面漆150 200微米 重防护体系 紧固件选用不锈钢 奥氏体 C类环境钢结构件锈蚀 户外钢结构件 C类环境 腐蚀严重 三防失效案例九 包装 储存 失效 某厂军品显示器线路板采用铝塑真空包装 储存在长江流域 有霉雨季 二年后 发现有长霉 扁平电缆表面严重长霉 减振橡胶板 不是硅橡胶 有白色点状霉点 连接器塑料件长霉 纸标签 涂漆 长霉 铝合金结构件长白粉 原因 可能是热压封口处漏气 潮湿气进入 湿热的局部环境在高温环境下长霉 三防失效案例十 选材重于防护 工艺 用于C类环境的结构材料采用铝合金的总成本 包括维护成本和风险 要优于钢构件 某些结构件采用不锈钢会更合算 采用工程塑料复合材料 SMC 由于可批量生产和耐蚀性好 是降低成本的方向 典型案例分析 1 3简单的总结必须按设计规范设计 做到有章可循 有法可依 减少设计上的随意性 选材重于防护 工艺 设计思想 方法论 重于设计技术 需注意的几个问题 电偶腐蚀应力腐蚀缝隙腐蚀处理好降低成本与维护成本 可靠性成本 的关系 注重整个寿命期环境剖面的防护 三 三防设计技术 2 2 结构件材料和工艺选择A B C类环境下设计 选材 须遵守的原则 各类环境下常见的腐蚀问题和设计应注意事项 2 1A类环境 2 2B类环境 2 3C类环境 2 1A类环境防护 D类环境 2 1A类环境的防护 2 1 1A类环境防护的概述A类防护的材料和工艺选择范围广泛 A类防护的重点在于 合理的选用材料 局部喷涂 金属 镀锌层 丝印 EMC材料的接触腐蚀 运输 储存环境剖面的不可预见性 2 1 2金属材料的选用 黑色金属 a 1钢板 常用品种 黑色金属材料的选用 钢 a 2钢板 件 的选用和防护 有色金属材料的选用 铝 b铝及铝合金选用铝及铝合金的耐蚀性 纯铝 防锈铝 锻铝 压铸铝 硬铝硬铝 合金铝 通常表面有一层包铝层 纯铝 保护基体材料 当机加工后 基体裸露由于铜元素的分部 在贫铜区会产生