电子设备可靠性.ppt

第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 第第2章章 电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 2.1 影响电子设备可靠性的主要因素影响电子设备可靠性的主要因素 2.2 电子元器件的选用电子元器件的选用 2.3 电子设备的可靠性防护措施电子设备的可靠性防护措施 2.4 印制电路板布线的可靠性设计印制电路板布线的可靠性设计 2.5 PCB电磁兼容设计中的地线设计电磁兼容设计中的地线设计 思考题与练习题思考题与练习题 第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 2.1 影响电子设备可靠性的主要因素影响电子设备可靠性的主要因素2.1.1工作环境电子设备所处的工作环境多种多样。气候条件、机械作用力和电磁干扰是影响电子设备的主要因素。必须采取适当的防护措施，将各种不良影响降低到最低限度，以保证电子设备稳定、可靠地工作。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 1.气候条件对电子设备的要求气候条件主要包括温度、湿度、气压、盐雾、大气污染、灰沙及日照等因素，对设备的影响主要表现在使电气性能下降、温升过高、运动部位不灵活、结构损坏，甚至不能正常工作。为了减少和防止这些不良影响，对电子设备提出以下要求：第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计(1)采取散热措施，限制设备工作时的温升，保证在最高工作温度条件下，设备内的元器件所承受的温度不超过其最高极限温度，并要求电子设备能够耐受高低温循环时的冷热冲击。(2)采取各种防护措施，防止潮湿、盐雾、大气污染等气候因素对电子设备内元器件及零部件的侵蚀和危害，延长其工作期。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 2.机械条件对电子设备的要求机械条件是指电子设备在不同的运载工具中使用时所受到的振动、冲击、离心加速度等机械作用。它对设备的影响主要是：元器件损坏失效或电参数改变；结构件断裂或变形过大；金属件的疲劳破坏等。为了防止机械作用对设备产生的不良影响，对设备提出以下要求：第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计(1)采取减振缓冲措施，确保设备内的电子元器件和机械零部件在受到外界强烈振动和冲击的条件下，不致变形和损坏。(2)提高电子设备的耐冲击、耐振动能力，保证电子设备的可靠性。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 3.电磁干扰对电子设备的要求电子设备工作的周围空间充满了由于各种原因所产生的电磁波，造成外部及内部干扰。电磁干扰的存在，使设备输出噪声增大，工作不稳定，甚至不能安全工作。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 2.1.2使用方面使用和维护人员对产品可靠性的影响，包括使用和维护的程序及设备，操作方法的正确性以及其他人为的因素。使用可靠性很大程度上依赖于使用设备的人。熟练而正确的操作，及时的维护和保养，都能显著地提高使用可靠性。电子设备的操纵性能如何以及是否便于维护修理，直接影响到设备的可靠性，因此在结构设计时必须全面考虑。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 对电子设备的操纵要求，原则上可归纳为以下几点：(1)为操纵者创造良好的工作条件。例如：设备不会产生令人厌恶的噪声，且色彩调和给人以好感，安装位置适当，能令操作者精神安宁、注意力集中，从而提高工作质量。(2)设备操作简单，能很快地进入工作状态，不需要很熟练的操作技术。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计(3)设备安全可靠，有保险装置。当操纵者发生误操作时，应不会损坏设备，更不能危及人身安全。(4)控制机构轻便，尽可能减少操纵者的体力消耗。指示系统清晰，便于观察，且长时间观察不易疲劳，也不损伤视力。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 从维护方便的角度出发，对结构设计提出以下要求：(1)在发生故障时，便于打开维修或能迅速更换备用件。如采用插入式和折叠式结构、快速装拆结构以及可换部件式结构等。(2)可调组件、测试点应布置在设备的同一面；经常更换的元器件应布置在易于装拆的部位；对于电路单元应尽可能采用印制板并用插座与系统连接。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计(3)元器件的组装密度不宜过大，即体积填充系数在可能的条件下应取得低一些(一般最好不超过0.3)，以保证元器件间有足够的空间，便于装拆和维修。(4)设备应具有过负荷保护装置(如过电流、过电压保护)，危险和高压处应有警告标志和自动安全保护装置(如高压自动断路门开关)等，以确保维修安全。(5)设备最好具备监测装置和故障预报装置，能使操纵者尽早地发现故障或测试失效元器件，及时更换维修，以缩短维修时间，防止大故障出现。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 2.1.3生产方面1.生产条件对电子设备的要求任何电子设备在它的研制之后都要投入生产。生产厂的设备情况、技术和工艺水平、生产能力和生产周期以及生产管理水平等因素都属于生产条件。设备若要顺利地投产，必须满足生产条件对它的要求，否则就不可能生产优质的产品，甚至根本无法投产。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 生产条件对产品的要求一般有以下几个方面：(1)设备中的零部件、元器件，其品种和规格应尽可能少，尽量使用由专业厂家生产的通用零部件或产品。因为这样便于生产管理，有利于提高产品质量，降低成本。(2)设备中的机械零部件必须具有较好的结构工艺性，能够采用先进的工艺方法和流程。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计(3)设备中的零部件、元器件及其各种技术参数、形状、尺寸等，应最大限度地标准化和规格化；还应尽可能采用生产厂家以前曾经生产过的零部件，充分利用生产厂家的先进经验，使产品具有继承性。(4)设备所使用的原材料的品种规格越少越好，应尽可能少用或不用贵重材料，立足于使用国产材料和来源多、价格低的材料。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计(5)设备(含零部件)的加工精度要与技术条件要求相适应，不允许无根据地追求高精度。在满足产品性能指标的前提下，其精度等级应尽可能低，装配也应简易化，尽量不搞选配和修配，力求减少装配工人的体力消耗，便于自动流水生产。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 2.经济性对电子设备的要求电子设备的经济性有两方面的内容：使用经济性和生产经济性。使用经济性包括设备在使用、贮存和运输过程中所消耗的费用。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 为了提高产品的经济性，在设计阶段就应充分考虑以下几个方面：(1)研究产品与零部件技术条件，分析产品设计参数，研讨和保证产品性能和使用条件，正确制定设计方案，这是产品经济性的首要环节。(2)根据产量确定产品结构形式和产品类型。产量的大小决定着生产批量的规模，生产批量不同，其生产方式类型也不同，因而其生产经济性也不同。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计(3)运用价值工程观念，在保证产品性能的条件下，按最经济的生产方法设计零部件。在满足产品技术要求的条件下，选用最经济合理的原材料和元器件，以求降低产品的生产成本。(4)全面构思，周密设计产品的结构，使产品具有良好的操纵维修性能和使用性能，以降低设备的维修费用和使用费用。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 2.2 电子元器件的选用电子元器件的选用2.2.1电子元器件的选用准则电子元器件选用时应遵循下列原则：(1)根据电路性能的要求和工作环境的条件选用合适的元器件，元器件的技术条件、技术性能、质量等级等均应满足设备工作和环境的要求，并留有足够的裕量。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计(2)优先选用经实践证明质量稳定、可靠性高、有发展前途的标准元器件，不选用淘汰和禁用的元器件。(3)应最大限度地压缩元器件的品种规格，减少生产厂家，提高它们的复用率。(4)除特殊情况外，所有电子元器件应按不同的要求经过必要的可靠性筛选后，才能用到产品中。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计(5)优先选用有良好的技术服务、供货及时、价格合理的生产厂家的元器件。对关键元器件要进行用户对生产方的质量认定。(6)仔细分析比较同类元器件在品种、规格、型号和制造厂商之间的差异，择优选用。要注意统计在使用过程中元器件所表现出来的性能与可靠性方面的数据，作为以后选用的依据。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 2.2.2电子元器件的主要技术参数1.电阻器的主要技术参数(1)标称阻值和允许偏差。标称阻值是指电阻器上所标示的名义阻值，所有标称阻值都必须符合标称阻值系列。常用的标称阻值有E6、E12和E24系列，如表2.1所示。实际阻值与标称阻值的相对误差称为允许偏差。普通电阻的允许偏差有级(5%)、级(10%)和级(20%)，精密电阻允许偏差要求更高，如2%、1%、0.5%0.001%等。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 表2.1电阻器标称阻值系列第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计(2)额定功率。电阻器的额定功率是指在正常大气压力及额定温度条件下，在电阻器的使用过程中电阻器所能承受而不致将其烧毁的最大限度功率值。它是根据电阻器本身的阻值以及所通过的电流和其两端所加的电压来确定的，是选择电阻器的主要参数之一。常用电阻器额定功率的系列值如表2.2所示。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 表2.2常用电阻器额定功率的系列值第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计(3)温度系数。温度系数是指温度每升高或降低1所引起的电阻值的相对变化。温度系数越小，电阻器的稳定性就越好。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 2.电容器的主要技术参数(1)标称容量和允许偏差。电容器标称容量及允许偏差的基本含义同电阻一样，标称容量越大，电容器贮存电荷的能力就越强。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计(2)耐压值(额定工作电压)。耐压值是指在允许的环境温度范围内，电容器在电路中长期可靠地工作所允许加的最大直流电压或交流电压的有效值。在选择电容器时，电容器的耐压值应该大于实际工作承受的电压，否则电容器中的介质会被击穿造成电容器的损坏。常用的耐压系列值如下所示(单位：V)：第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计(3)绝缘电阻。绝缘电阻是指电容器两极之间的电阻，也称漏电阻。一般电容器绝缘电阻在1081010之间，电容量越大绝缘电阻就越小，所以不能单凭所测绝缘电阻值的大小来衡量电容器的绝缘性能。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 3.半导体二极管的主要技术参数(1)最大正向电流IF。最大正向电流是指长期运行时晶体二极管允许通过的最大正向平均电流。(2)反向饱和电流Is。反向饱和电流是指二极管未击穿时的反向电流值。反向饱和电流主要受温度影响，该值越小，说明二极管的单向导电性越好。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计(3)最大反向工作电压URM。最大反向工作电压指正常工作时，二极管所能承受的反向电压最大值。(4)最高工作频率fM。最高工作频率指晶体二极管能保持良好工作性能条件下的最高工作频率。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 4.半导体三极管的主要技术参数(1)交流电流放大系数。交流电流放大系数包括共发射极电流放大系数()和共基极电流放大系数()。它是表明晶体管放大能力的重要参数。(2)集电极最大允许电流ICM。集电极最大允许电流指放大器的下降到正常值的2/3时所对应的集电极电流值，或者说集电极电流所能达到的晶体三极管允许的极限值。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计(3)集电极最大允许耗散功率PCM。集电极最大允许耗散功率是指集电极因受热而引起晶体三极管的参数变化不超过规定允许值时，集电极所能消耗的最大功率，或者说晶体管集电极温度升高到不致将集电结烧毁所消耗的最大功率。(4)集-射间反向击穿电压(UCEO)。集-射间反向击穿电压指三极管基极开路时，集电极和发射极之间允许加的最高反向电压。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 5.集成电路的主要技术参数1)TTL“与非门”集成电路的主要静态参数(1)输出高电平UOH。输出高电平UOH是指输入端有一个(或几个)为低电平时的输出电平。UOH典型值约为3.6V。(2)输出低电平UOL。输出低电平UOL是指在电路输出端接有额定负载(通常规定为带八个同类型的与非门负载)时，电路处于饱和导通状态时的输出电压。UOL一般应小于或等于0.35V。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计(3)输入短路电流IIS。输入短路电流IIS是指当任何一个输入端接地而其余输入端悬空时，流过该输入端的电流值。IIS应小于1.5mA，且越小越好。(4)输入漏电流IIH。输入漏电流IIH是指在电路中，当任一输入端接高电平，其余输入端接地时，流过接高电平输入端的电流。IIH应小于70A，且越小越好。(5)开门电压UON。开门电压UON是指在电路输出端接有负载(通常规定为带八个同类型的与非门负载)时，使输出电压为低电平时的最小输入电压。一般UON应小于或等于1.8V，典型值为1.4V。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计(6)关门电压UOFF。关门电压UOFF是指输出电压值下降到规定值(即UON)的90%时的输入电压。一般UOFF应小于或等于0.8V，典型值为1V。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 2)数字集成电路的主要动态参数(1)平均传输延迟时间tpd。平均传输延迟时间是数字集成电路的一个重要动态参数。当门电路工作时，若输入一个脉冲信号，则输出脉冲会有一定的时间延迟，如图2.1所示。(2)导通延迟时间trd。导通延迟时间是从输入脉冲上升沿的50%起，到输出脉冲下降沿的50%为止这段时间间隔。(3)截止延迟时间tfd。截止延迟时间是从输出脉冲下降沿的50%起，到输出脉冲上升沿的50%为止这段时间间隔。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 图2.1数字集成电路的动态参数第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 3)运算放大器的主要参数(1)开环电压增益Aud。开环电压增益Aud是指运算放大器处于开环状态并且没有外部反馈时，其输出(直流)电 压 增 量 与 输 入(直 流)差 模 电 压 增 量 之 比，即Aud=Uo/Ui=Uo/Ui。(2)共模抑制比CMRR。差模输入是指把输入信号电压加在运算放大器的两个输入端之间。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计(3)输入偏置电流IB。输入偏置电流IB是指运算放大器在没有输入信号时，流入双极型晶体管的基极电流或场效应晶体管的栅极漏电流。一般规定IB值是流入两个输入端的输入偏置电流之和的一半。(4)输入失调电流IOS。输入失调电流IOS是指当输入信号为零时，运算放大器的两个输入端的偏置电流的差值，即IOS=IBIB+。由于信号源内阻的存在，IOS会引起一输入电压变化，从而破坏运算放大器的平衡，使其输出电压值不为零，因此，要求IOS愈小愈好。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计(5)输入失调电压UOS。在运算放大器的两个输入端上外加一直流补偿电压，以使其输出端为零电位，则外加的补偿电压就是输入失调电压UOS。UOS愈小，运算放大器的电路对称程度愈好。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 2.2.3电子元器件的降额使用元器件失效的一个重要原因是由于它工作在允许的应力水平之上。因此为了提高元器件可靠性，延长其使用寿命，必须有意识地降低施加在元器件上的工作应力，以使实际使用应力低于其规定的额定应力。对元器件有影响的应力有：时间、温度、湿度、腐蚀、机械应力(直接负荷、冲击、振动等)和电应力(电压、电流、频率等)等。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 1.电阻器的降额使用电阻器按其功能可分为固定电阻器、电位器、热敏电阻器等。对于固定电阻器和电位器而言，影响其可靠性的最重要应力为电压、功率和环境温度；对于热敏电阻而言，影响其可靠性的应力则主要是功率和环境温度。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 2.电容器的降额使用影响电容器可靠性的最重要应力是电压和环境温度。对于固定纸/塑料薄膜电容器而言，在应用时，交流峰值电压与直流电压之和不得超过其额定值。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 3.半导体器件降额使用可按GJB/Z35电子元器件降额准则对半导体器件合理地降额使用。需要降额的主要参数是结温、电压和电流。半导体器件的降额系数S取0.5以下，温度低于50。锗管还要低一点。不同的半导体器件，S的定义不一样。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 晶体二极管的S为平均正向工作电流与25时的最大额定正向电流之比。晶体三极管的S为实际功率与25时的最大额定功率之比。稳压管的S为实际耗散功率与25时最大额定功率之比。光电器件的S为实际耗散功率与25时最大额定功率乘以与最大允许结温有关的修正系数之比。表2.3列出了常用元器件的推荐降额范围。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 表2.3常用元器件的推荐降额范围第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 2.2.4电子元器件的检验与筛选电子元器件的质量是电子产品可靠性的重要保证，因此，在电子设备整机装配前，应按照整机技术要求对元器件进行质量检验和筛选，不符合要求的元器件不得装入整机。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 1.元器件的外观检查外观检查时，首先要查对元器件的型号、规格和出厂日期是否符合整机技术条件要求，没有合格证明的元器件不得使用。外观检查的主要内容如下：(1)元器件外观是否完整无损，标记是否清晰，引线和接线端子是否无锈蚀和明显氧化。(2)电位器、可变电容器和可调电感器等组件调节时是否旋转平稳，无跳变和卡死现象。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计(3)接插件是否插拔自如，插针、插孔镀层是否光亮，无明显氧化和沾污。(4)胶木件表面是否无裂纹、起泡和分层。瓷质件表面是否光洁平整，无缺损。(5)带有密封结构的元器件，密封部件是否损坏和开裂。(6)镀银件表面是否光亮，无变色发黑现象。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 2.元器件的筛选和老化筛选和老化的目的是剔除因某种缺陷而导致早期失效的元器件，从而提高元器件的使用寿命和可靠性。因此，凡有筛选和老化要求的元器件，在整机装配前必须按照整机产品技术要求和有关技术规定进行严格的筛选和老化。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 下面对半导体二极管、三极管和集成电路的筛选和老化的技术要求作简单介绍。1)半导体二极管、三极管的筛选(1)筛选程序如下：二极管(此处列举的是整流二极管)：高温贮存温度冲击敲击功率老化高温测反向漏电流常温测试检漏外观检查。三极管：高温贮存温度冲击跌落(大功率管不做)高温反偏(硅PNP管做)功率老化高低温测试(必要时做)常温测试检漏外观检查。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计(2)筛选条件及要求如下：高温贮存的要求为：贮存温度：硅二极管为1503；硅三极管为1753；锗二极管、三极管为1002。贮存时间：A级为48小时，B级为96小时。温度冲击的要求为：锗器件：553852硅器件：5531253第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 敲击。在专用夹具上用小锤敲击器件，并用图示仪监视最大工作电流正向曲线。功率老化。在常温下，按技术要求(例如：整流二极管最大电流不大于1A时，按额定电流的1.5倍老化；最大电流大于1A时，可按额定电流老化)通电老化。高温测试。其试验温度的要求为：锗二极管为702，锗中小功率三极管为552，锗大功率管为752，硅二极管、三极管为1253，恒温时间为30分钟。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 低温测试。其试验温度为553，恒温时间为30分钟。常温测试。常温测试按技术文件规定进行。检漏。检漏按技术文件规定进行。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 2)半导体集成电路的筛选对于半导体集成电路等组件，也要按照技术要求，凡有筛选要求的都要进行筛选。(1)高温贮存。高温贮存的作用是通过高温加热来加速任何可能发生或存在的表面化学反应，使电路稳定，剔除潜在的失效电路。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 贮存条件：温度为1501755，贮存时间为48小时或96小时。150适用于环氧扁平封装的电路，175适用于其他材料封装的电路。(2)温度循环。温度循环能检验电路内不同结构材料的热胀冷缩是否匹配。循环条件：温度范围为5531253。先低温后高温，每种温度下保持30分钟，交替时间小于1分钟，交替次数不少于5次。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计(3)离心加速度。离心加速度试验可使电路内部焊点不牢，装片或封装不佳，管壳及硅片存在潜在裂纹等缺陷易于暴露。试验条件：质量小于15g的电路可施加外力20kg，质量大于15g的电路施加外力5kg。沿电路三个轴向，各试验1分钟。(4)跌落。有时可以用跌落的方法代替离心加速度的筛选方法。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计(5)高温功率老化。老化条件：温度为1253，时间为168小时或96小时。亦可把温度提高到1503，进行24小时老化。(6)高温测试。测试条件：温度为403和553，各保持30分钟，测试电参数。(8)电路输入、输出特性检查。在室温下分别对电路每一个输入、输出端的PN结加反向电压，观察其特性曲线有无显示击穿现象。击穿电压应大于7V，漏电流应小于10A。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 2.3 电子设备的可靠性防护措施电子设备的可靠性防护措施2.3.1电子设备的散热防护温度是影响电子设备可靠性最广泛的一个因素。电子设备工作时，其功率损失一般都以热能形式散发出来，尤其是一些耗散功率较大的元器件，如电子管、变压器、大功率晶体管、大功率电阻等。另外，当环境温度较高时，设备工作时产生的热能难以散发出去，将使设备温度升高。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 1.电阻器的散热措施1)温度对电阻器的影响温度升高会使电阻使用率下降，导致其寿命降低。如RTX型碳膜电阻，当环境温度为40时，允许的使用功率为标称值的100%；环境温度增至100时，允许使用功率仅为标称值的20%。另外，温度过高能使噪声增大。温度变化同样会使阻值变化，温度每升高或降低10，其阻值大约变化1%。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 2)电阻器散热的一般方法电阻的温度与其形式、尺寸、功率损耗、安装位置以及环境温度等因素有关。一般情况下，电阻是通过引出线的传导和本身的对流、辐射来散热的。电阻器散热的一般考虑有：(1)大功率电阻器应安装在金属底座上，以便散热。(2)不许在没有散热的情况下，将功率电阻器直接装在接线端或印制板上。(3)功率电阻器尽可能安装在水平位置。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计(4)引线长度应短些，使其和印制电路板的接点能起散热作用；但又不能太短，且最好稍弯曲，以允许热胀冷缩。如用安装架，则要考虑其热胀冷缩的应力。(5)当电阻器成行或成排安装时，要考虑通风的限制和相互散热的影响，并将其适当组合。(6)在需要补充绝缘时，需考虑散热问题。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 2.半导体分立器件的散热措施1)温度对半导体分立器件的影响半导体器件对温度反应很敏感，过高的温度会使器件的工作点发生漂移、增益不稳定、噪声增大和信号失真，严重时会引起热击穿。因此，通常半导体器件的工作温度不能过高，如锗管不超过70100；硅管不超过150200。表2.4列出了常用元器件的允许温度。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 表2.4常用元器件允许温度第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 2)半导体分立器件散热的一般考虑(1)对于功率小于100mW的晶体管，一般不用散热器。(2)大功率半导体分立器件应装在散热器上。(3)散热器应使肋片沿其长度方向垂直安装，以便于自然对流。散热器上有多个肋片时，应选用肋片间距大的散热器。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计(4)半导体分立器件外壳与散热器间的接触热阻应尽可能小，应尽量增大接触面积，接触面保持光洁，必要时在接触面上涂上导热膏或加热绝缘硅橡胶片，借助于合适的紧固措施保证紧密接触。(5)散热器要进行表面处理，使其粗糙度适当并使表面呈黑色，以增强辐射换热。(6)对于热敏感的半导体分立器件，安装时应远离耗散功率大的元器件。(7)对于工作于真空环境中的半导体分立器件，散热器设计时应以只有辐射和传导散热为基础。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 3)散热器常用的散热器大致有：平板形、平行肋片形、叉指形、星形等，如图2.2(a)(d)所示。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 图2.2散热器形状(a)平板形；(b)平行肋片形；(c)叉指形；(d)星形第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 3.变压器的散热措施1)温度对变压器的影响温度对变压器的影响除降低其使用寿命外，绝缘材料的性能也将下降。一般情况下，变压器的允许温度应低于95。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 2)变压器散热的一般考虑(1)不带外罩的变压器，要求铁心与支架、支架与固定面都要良好接触，使其热阻最小。(2)对有外罩的变压器，除要求外罩与固定面良好接触外，可将其垫高并在固定面上开孔，形成对流，如图2.3所示。(3)变压器外表面应涂无光泽黑漆，以加强辐射散热。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 图2.3变压器的散热第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 4.集成电路的散热措施集成电路的散热，主要依靠管壳及引线的对流、辐射和传导散热，如图2.4所示。当集成电路的热流密度超过0.6W/cm2时，应装散热装置，以减少外壳与周围环境的热阻。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 图2.4集成电路的散热第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 5.电子设备整机的散热措施1)机壳自然散热机壳是接受设备内部热量并将其散到周围环境中去的机械结构。机壳散热措施一般考虑如下：(1)选择导热性能好的材料做机壳，加强机箱内外表面的热传导。(2)在机壳内、外表面涂粗糙的黑漆，以提高机壳热辐射能力。(3)在机壳上合理地开通风孔，以加强气流的对流换热能力。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 图2.5为常见的通风口形式。图(a)为最简单的冲压而成的通风孔；图(b)为通风孔较大时用金属网遮住洞口的形式；图(c)为百叶窗式通风孔。图2.5散热器通风口形式第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 2)印制板的热设计从有利于散热的角度出发，印制板最好是直立安装，板与板之间的距离一般不要小于2cm，而且元器件在印制板上的排列方式应遵循如下规则：(1)对于采用对流空气冷却方式的设备，最好是将集成电路(或其他元器件)按纵长方式排列，如图2.6(a)所示；对于采用强制空气冷却(风扇冷却)的设备，则应按横长方式排列，如图2.6(b)所示。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计(2)在同一块印制板上安装半导体器件时，应将发热量小或不耐热的元器件(如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等)放在气流的入口处，将发热量大或耐热好的元器件放在气流的出口处。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 图2.6集成电路在印制板上的排列(a)纵长排列；(b)横长排列第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计(3)在水平方向上，大功率器件应尽量靠近印制板边沿布置，以便缩短传热途径；在垂直方向上，大功率器件应尽量靠近印制板上方布置，以便减小这些器件工作时对其他元器件温度的影响。(4)温度敏感器件最好安置在温度最低的区域(如设备底部)，不要将它放在发热元器件的正上方，多个器件最好是水平交错布局。也可采用“热屏蔽”方法达到热保护作用。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 3)内部结构的合理布局由于设备内印制板的散热主要依靠空气对流，因此在设计时要研究空气流动途径，合理配置元器件或印制电路板。具体措施有：(1)要合理地布置机箱进出风口的位置，尽量增大进出风口之间的距离和高度差，以增强自然对流。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计(2)对大面积的元器件应特别注意其放置位置，如机箱底的底板、隔热板、屏蔽板等。若位置安排不合理，则可能阻碍或阻断自然对流的气流。(3)在印制板上进行元器件布局时，要避免在某个区域留有较大的空域。如图2.7(a)所示，冷却空气大多从此空域中流走，造成散热效果大大降低。如图2.7(b)所示，冷却空气的通路阻抗均匀，散热效果得到了改善。整机设备内有多块印制电路板的情况也应注意同样的问题。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 图2.7元器件的布局(a)较差布局；(b)较好布局第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 4)强制风冷强制风冷是利用风机进行鼓风或抽风，提高设备内空气流动的速度，增大散热面的温差，达到散热的目的。强制风冷的散热形式主要是对流散热，其冷却介质是空气。强制风冷是目前应用最多的一种强制冷却方法。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计【实例】集成电路在印制板上的排列方式对其温升的影响。图2.8给出了大规模集成电路(LSI)和小规模集成电路(SSI)混合安装情况下的两种排列方式。LSI的功耗为1.5W，SSI的功耗为0.3W。实测结果表明，图2.8(a)所示排列方式使LSI的温升达50，而图2.8(b)所示排列方式使LSI的温升为40，显然采纳后一种排列方式对降低LSI的温升更为有效。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 图2.8集成电路的排列方式对其温升的影响第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 电子设备的气候防护潮湿、盐雾、霉菌以及气压、污染气体对电子设备影响很大，其中潮湿的影响是最主要的。特别是在低温高湿条件下，空气湿度达到饱和时会使机内元器件、印制电路板上产生凝露现象，使电性能下降，故障上升第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 1.潮湿的防护电子设备受到潮湿空气的侵蚀，会在元器件或材料表面凝聚一层水膜，并渗透到材料内部，从而造成绝缘材料的表面电导率增加，体积电阻率降低，介质损耗增加，零部件电气短路、漏电或击穿等。潮气还能引起覆盖层起泡甚至脱落，使其失去保护作用。防潮湿的措施很多，常用的方法有浸渍、灌封、密封等。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 1)浸渍浸渍是将被处理的组件或材料浸入不吸湿的绝缘漆中，经过一定时间使绝缘液体进入组件或材料的小孔、缝隙和结构件的空隙，从而提高组件或材料的防潮湿性能和其他性能。2)灌封灌封是用于热溶状态的树脂、橡胶等将电器组件浇注封闭，形成一个与外界完全隔绝的独立的整体。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 3)密封密封是防止潮湿长期影响的最有效的方法。密封是将零件、元器件、部件或一些复杂的装置甚至整机安装在不透气的密封盒内，这种防潮手段属于机械防潮。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 2.盐雾和霉菌的防护1)盐雾的防护盐雾主要发生在海上和近海地区，因盐碱被风刮起或盐水蒸发而形成的一种带有盐分的雾状气体。盐雾的防护方法主要是：在一般电镀的基础上进行加工，即严格电镀工艺，保证镀层厚度，选择适当的镀层种类；采用密封机壳或机罩，使设备与盐雾环境隔开；对关键组件进行灌封或加其他密封措施。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 2)霉菌的防护霉菌是指生长在营养基质上而形成绒毛状、蜘网状或絮状菌丝体的真菌。霉菌种类繁多。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 电子设备的霉菌防护方法有以下几种：(1)控制环境条件。(2)密封防霉。(3)使用防霉剂。(4)使用防霉材料。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 3.金属的防腐电子设备中大量应用到金属材料，金属材料会和周围腐蚀介质发生化学或电化学作用，从而导致金属的腐蚀。金属防腐蚀措施如下：(1)选择合适的材料。金属材料的耐蚀性能与所接触的介质有密切的关系。选材时，首先要知道腐蚀介质的种类、腐蚀强度、PH值以及影响腐蚀性的诸如环境温度、湿度变化情况等各种因素。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计(2)采用表面涂覆方法。表面涂覆是电子设备最常用的金属防腐蚀方法。表面涂覆就是在零件表面涂覆一层金属或非金属覆盖层。根据构成覆盖层的物质不同，可将覆盖层分为三类：金属覆盖层(电镀)、化学覆盖层(金属氧化物)和涂料覆盖层。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 电子设备的电磁防护屏蔽就是用导电或导磁材料制成的以盒、壳、板和栅等形式，将电磁场限制在一定空间范围内，使电磁场从屏蔽体的一面传到另一面时受到很大的衰减，从而抑制电磁场的扩散。根据屏蔽抑制功能的不同，可分为电屏蔽、磁屏蔽和电磁屏蔽。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 电屏蔽即静电或电场的屏蔽，用于防止或抑制寄生电容耦合，隔离静电或电场干扰。电屏蔽最简单的方法是在感应源和受感器之间加一块接地良好的金属板，把感应源的寄生电容短接到地，达到屏蔽的目的。磁屏蔽用于防止磁感应，抑制寄生电感耦合，隔离磁场干扰。电磁屏蔽用于防止或抑制高频电磁场的干扰。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 1.元器件防静电措施半导体器件在制造、存贮、运输及装配过程中均可能因摩擦而产生静电电压，当器件与这些带电体接触时，带电体就会通过器件引脚放电，引起器件失效。如MOS器件、双极器件和混合集成电路等器件对静电放电损伤敏感。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 以对静电敏感的CMOS集成电路为例，在电路设计及印制板设计时，应注意以下几点：(1)不使用的输入端应根据要求接电源或接地，不得悬空。(2)作为线路板输入接口的电路，其输入端除加瞬变电压抑制二极管外，还应对地接电阻器(阻值一般取0.21M)。(3)当电路与电阻电容组成振荡器时，电容器存贮电荷产生的电压可使有关输入端的电压瞬时高于电源电压。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计(4)作为线路板输入接口的传输门，每个输入端都应串接电阻器(阻值取50100)。(5)作为线路板输入接口的逻辑门，每个输入端都应串接电阻器(阻值取100200)。(6)作为线路板输入接口的应用部位，应防止其输入电位高于电源电位(先加信号源，后加线路板电源，就可导致这一现象发生)。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 2.导线的屏蔽1)印制导线屏蔽单面印制板在信号线之间设置接地的印制导线可以起屏蔽作用，如图2.9(a)所示。双面印制板，除在信号线之间设置接地线以外，其背面铜箔也接地，增强了屏蔽作用，如图2.9(b)所示。第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 图2.9印制板的屏蔽线第第2 2章章电子设备的可靠性设计电子设备的可靠性设计 2)高频导线(同轴射频电缆)的屏蔽高频导线的屏蔽主要是在其外面套上一层金属丝的编织网，中心是芯线，金属网是屏蔽层，芯线和屏蔽层之间衬有绝缘材料，屏蔽层