第4-2工藝可靠性設(shè)計(jì)

1、4.5 電子設(shè)備的熱防護(hù)措施1、電子設(shè)備的熱防護(hù)n 溫度是影響電子設(shè)備可靠性最廣泛的一個(gè)因素。電子設(shè)備工作時(shí)，其功率損失一般都以熱能形式散發(fā)出來(lái)，尤其是一些耗散功率較大的元器件，如電子管、變壓器、大功率晶體管、大功率電阻等。另外，當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的熱能難以散發(fā)出去，將使設(shè)備溫度升高。 n溫度與可靠性的關(guān)系溫度與可靠性的關(guān)系n失效率隨溫度的增加而指數(shù)上升n電性能參數(shù)（增益，耐壓，漏電流，功耗）是溫度的函數(shù)n熱設(shè)計(jì)的目的熱設(shè)計(jì)的目的n減少器件的發(fā)熱量n減少器件的熱阻n改善器件的散熱條件n熱設(shè)計(jì)影響因素?zé)嵩O(shè)計(jì)影響因素n元器件本身的發(fā)熱n元器件耐熱和對(duì)熱的敏感程度n與周圍環(huán)境的換熱n熱

2、設(shè)計(jì)要點(diǎn)熱設(shè)計(jì)要點(diǎn)n自然冷卻、風(fēng)冷、水冷n發(fā)熱量小或耐熱性差的器件置氣流入處，發(fā)熱量大或耐熱性好的器件置氣流出口處n大功率器件靠邊、靠上n溫度敏感器件置于設(shè)備最低溫度處，遠(yuǎn)離發(fā)熱元件2、熱設(shè)計(jì)的目的3、熱分析、熱設(shè)計(jì)熱分析、熱設(shè)計(jì)的概念熱分析、熱設(shè)計(jì)的概念n熱分析：獲得產(chǎn)品的溫度分布n熱設(shè)計(jì)：采取相應(yīng)的溫度控制措施，控制電子設(shè)備的溫度 原因與目的原因與目的n電子產(chǎn)品可靠性對(duì)溫度是非常敏感n提高可靠性熱分析的內(nèi)容與手段熱分析的內(nèi)容與手段n溫度n計(jì)算熱測(cè)熱設(shè)計(jì)的方法熱設(shè)計(jì)的方法n電路板布局n散熱措施3、熱分析、熱設(shè)計(jì)原因和目的原因與目的原因與目的n電子產(chǎn)品可靠性對(duì)溫度是非常敏感，如圖所示，但溫度生

3、高時(shí)，器件故障率迅速增大；電路板變形n合理溫度布局，控制溫度，提高可靠性3、熱分析、熱設(shè)計(jì)熱分析的內(nèi)容與手段熱分析的內(nèi)容熱分析的內(nèi)容n結(jié)點(diǎn)溫度：元器件PN結(jié)溫度，一般是元件的最高溫度；n殼溫度：元器件的殼的外表面的溫度；n電路板溫度：連續(xù)的二維溫度分布，各點(diǎn)的溫度是厚度方向的平均值；n電路板溫度梯度：沿著長(zhǎng)度方向的溫度變化率，也是二維的； 熱分析手段熱分析手段n計(jì)算：解析法（傳熱方程的解析解）和數(shù)值法（利用計(jì)算機(jī)求解溫度分布，如BETAsoft-Board軟件）； n熱測(cè)設(shè)備測(cè)量3、熱分析、熱設(shè)計(jì)熱設(shè)計(jì)的方法電路板布局電路板布局n在滿足約束條件下，合理元器件布局，將功率大的器件分散放置，減少或

4、消除熱應(yīng)力集中點(diǎn)，從而降低溫度；散熱措施散熱措施n散熱原理n熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射n熱設(shè)計(jì)n元器件溫度控制：熱降額、導(dǎo)熱膠、冷板設(shè)計(jì)n電路板：使用耐熱高的印刷板，增加厚度利于導(dǎo)熱和自然散熱n機(jī)箱：自然冷卻、強(qiáng)迫風(fēng)冷、冷板設(shè)計(jì)、散熱器3、熱分析、熱設(shè)計(jì)示例(熱分布)3、熱分析、熱設(shè)計(jì)示例示例( (溫度梯度分布溫度梯度分布) )返回n4. 電阻器的散熱措施n1) 溫度對(duì)電阻器的影響n 溫度升高會(huì)使電阻使用率下降，導(dǎo)致其壽命降低。如RTX型碳膜電阻，當(dāng)環(huán)境溫度為40時(shí)，允許的使用功率為標(biāo)稱值的100%；環(huán)境溫度增至100時(shí)，允許使用功率僅為標(biāo)稱值的20%。另外，溫度過(guò)高能使噪聲增大。溫度變化同樣會(huì)使

5、阻值變化，溫度每升高或降低10，其阻值大約變化1%。 n2) 電阻器散熱的一般方法n電阻的溫度與其形式、尺寸、功率損耗、安裝位置以及環(huán)境溫度等因素有關(guān)。一般情況下，電阻是通過(guò)引出線的傳導(dǎo)和本身的對(duì)流、輻射來(lái)散熱的。電阻器散熱的一般考慮有：n(1) 大功率電阻器應(yīng)安裝在金屬底座上，以便散熱。n(2) 不許在沒(méi)有散熱的情況下，將功率電阻器直接裝在接線端或印制板上。n(3) 功率電阻器盡可能安裝在水平位置。n (4) 引線長(zhǎng)度應(yīng)短些，使其和印制電路板的接點(diǎn)能起散熱作用；但又不能太短，且最好稍彎曲，以允許熱脹冷縮。如用安裝架，則要考慮其熱脹冷縮的應(yīng)力。n (5) 當(dāng)電阻器成行或成排安裝時(shí)，要考慮通風(fēng)的

6、限制和相互散熱的影響，并將其適當(dāng)組合。n (6) 在需要補(bǔ)充絕緣時(shí)，需考慮散熱問(wèn)題。n5. 半導(dǎo)體分立器件的散熱措施n1) 溫度對(duì)半導(dǎo)體分立器件的影響n 半導(dǎo)體器件對(duì)溫度反應(yīng)很敏感，過(guò)高的溫度會(huì)使器件的工作點(diǎn)發(fā)生漂移、增益不穩(wěn)定、噪聲增大和信號(hào)失真，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起熱擊穿。因此，通常半導(dǎo)體器件的工作溫度不能過(guò)高，如鍺管不超過(guò)70100；硅管不超過(guò)150200。表2.4列出了常用元器件的允許溫度。 表1 常用元器件允許溫度n2) 半導(dǎo)體分立器件散熱的一般考慮n(1) 對(duì)于功率小于100mW的晶體管，一般不用散熱器。n(2) 大功率半導(dǎo)體分立器件應(yīng)裝在散熱器上。n(3) 散熱器應(yīng)使肋片沿其長(zhǎng)度方向垂直

7、安裝，以便于自然對(duì)流。散熱器上有多個(gè)肋片時(shí)，應(yīng)選用肋片間距大的散熱器。n(4) 半導(dǎo)體分立器件外殼與散熱器間的接觸熱阻應(yīng)盡可能小，應(yīng)盡量增大接觸面積，接觸面保持光潔，必要時(shí)在接觸面上涂上導(dǎo)熱膏或加熱絕緣硅橡膠片，借助于合適的緊固措施保證緊密接觸。n (5) 散熱器要進(jìn)行表面處理，使其粗糙度適當(dāng)并使表面呈黑色，以增強(qiáng)輻射換熱。n(6) 對(duì)于熱敏感的半導(dǎo)體分立器件，安裝時(shí)應(yīng)遠(yuǎn)離耗散功率大的元器件。n(7) 對(duì)于工作于真空環(huán)境中的半導(dǎo)體分立器件，散熱器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以只有輻射和傳導(dǎo)散熱為基礎(chǔ)。n3) 散熱器n 常用的散熱器大致有：平板形、平行肋片形、叉指形、星形等，如圖1 (a)(d)所示。 (a)(b)

8、(c)(d)圖1 散熱器形狀(a) 平板形；(b) 平行肋片形；(c) 叉指形；(d) 星形n6. 變壓器的散熱措施n1) 溫度對(duì)變壓器的影響n 溫度對(duì)變壓器的影響除降低其使用壽命外，絕緣材料的性能也將下降。一般情況下，變壓器的允許溫度應(yīng)低于95。n2) 變壓器散熱的一般考慮n (1) 不帶外罩的變壓器，要求鐵心與支架、支架與固定面都要良好接觸，使其熱阻最小。n (2) 對(duì)有外罩的變壓器，除要求外罩與固定面良好接觸外，可將其墊高并在固定面上開(kāi)孔，形成對(duì)流，如圖2所示。n (3) 變壓器外表面應(yīng)涂無(wú)光澤黑漆，以加強(qiáng)輻射散熱。圖2 變壓器的散熱n7. 集成電路的散熱措施n 集成電路的散熱，主要依靠

9、管殼及引線的對(duì)流、輻射和傳導(dǎo)散熱，如圖3所示。當(dāng)集成電路的熱流密度超過(guò)0.6 W/cm2時(shí)，應(yīng)裝散熱裝置，以減少外殼與周圍環(huán)境的熱阻。傳導(dǎo)集成電路輻射對(duì)流焊點(diǎn)印制板圖3 集成電路的散熱n 8. 電子設(shè)備整機(jī)的散熱措施n 1) 機(jī)殼自然散熱n 機(jī)殼是接受設(shè)備內(nèi)部熱量并將其散到周圍環(huán)境中去的機(jī)械結(jié)構(gòu)。機(jī)殼散熱措施一般考慮如下：n (1) 選擇導(dǎo)熱性能好的材料做機(jī)殼，加強(qiáng)機(jī)箱內(nèi)外表面的熱傳導(dǎo)。n (2) 在機(jī)殼內(nèi)、外表面涂粗糙的黑漆，以提高機(jī)殼熱輻射能力。n (3) 在機(jī)殼上合理地開(kāi)通風(fēng)孔，以加強(qiáng)氣流的對(duì)流換熱能力。n 圖4為常見(jiàn)的通風(fēng)口形式。圖(a)為最簡(jiǎn)單的沖壓而成的通風(fēng)孔；圖(b)為通風(fēng)孔較大

10、時(shí)用金屬網(wǎng)遮住洞口的形式；圖(c)為百葉窗式通風(fēng)孔。 ( a )( b )( c ) (a)(b )(c)圖 4 散熱器通風(fēng)口形式 n4.6 印制板的熱設(shè)計(jì)n 從有利于散熱的角度出發(fā)，印制板最好是直立安裝，板與板之間的距離一般不要小于2 cm，而且元器件在印制板上的排列方式應(yīng)遵循如下規(guī)則：n(1) 對(duì)于采用對(duì)流空氣冷卻方式的設(shè)備，最好是將集成電路(或其他元器件)按縱長(zhǎng)方式排列，如圖5(a)所示；對(duì)于采用強(qiáng)制空氣冷卻(風(fēng)扇冷卻)的設(shè)備，則應(yīng)按橫長(zhǎng)方式排列，如圖5(b)所示。(a)(b)圖5 集成電路在印制板上的排列(a) 縱長(zhǎng)排列；(b) 橫長(zhǎng)排列n(2) 在同一塊印制板上安裝半導(dǎo)體器件時(shí)，應(yīng)將

11、發(fā)熱量小或不耐熱的元器件(如小信號(hào)晶體管、小規(guī)模集成電路、電解電容等)放在氣流的入口處，將發(fā)熱量大或耐熱好的元器件放在氣流的出口處。 圖6 元器件布局盡量均勻，使得散熱均勻、溫度均勻PCB熱設(shè)計(jì)散熱均勻化PCB熱設(shè)計(jì)降低最高溫度n (3) 在水平方向上，大功率器件應(yīng)盡量靠近印制板邊沿布置，以便縮短傳熱途徑；在垂直方向上，大功率器件應(yīng)盡量靠近印制板上方布置，以便減小這些器件工作時(shí)對(duì)其他元器件溫度的影響。n (4) 溫度敏感器件最好安置在溫度最低的區(qū)域(如設(shè)備底部)，不要將它放在發(fā)熱元器件的正上方，多個(gè)器件最好是水平交錯(cuò)布局。也可采用“熱屏蔽”方法達(dá)到熱保護(hù)作用。n內(nèi)部結(jié)構(gòu)的合理布局n 由于設(shè)備內(nèi)

12、印制板的散熱主要依靠空氣對(duì)流，因此在設(shè)計(jì)時(shí)要研究空氣流動(dòng)途徑，合理配置元器件或印制電路板。具體措施有：n (1) 要合理地布置機(jī)箱進(jìn)出風(fēng)口的位置，盡量增大進(jìn)出風(fēng)口之間的距離和高度差，以增強(qiáng)自然對(duì)流。n (2) 對(duì)大面積的元器件應(yīng)特別注意其放置位置，如機(jī)箱底的底板、隔熱板、屏蔽板等。若位置安排不合理，則可能阻礙或阻斷自然對(duì)流的氣流。n(3) 在印制板上進(jìn)行元器件布局時(shí)，要避免在某個(gè)區(qū)域留有較大的空域。如圖7(a)所示，冷卻空氣大多從此空域中流走，造成散熱效果大大降低。如圖7(b)所示，冷卻空氣的通路阻抗均勻，散熱效果得到了改善。整機(jī)設(shè)備內(nèi)有多塊印制電路板的情況也應(yīng)注意同樣的問(wèn)題。不用器件空氣流(

13、b)空氣流(a) 圖7 元器件的布局(a) 較差布局；(b) 較好布局n4) 強(qiáng)制風(fēng)冷n 強(qiáng)制風(fēng)冷是利用風(fēng)機(jī)進(jìn)行鼓風(fēng)或抽風(fēng)，提高設(shè)備內(nèi)空氣流動(dòng)的速度，增大散熱面的溫差，達(dá)到散熱的目的。強(qiáng)制風(fēng)冷的散熱形式主要是對(duì)流散熱，其冷卻介質(zhì)是空氣。強(qiáng)制風(fēng)冷是目前應(yīng)用最多的一種強(qiáng)制冷卻方法。n實(shí)例 集成電路在印制板上的排列方式對(duì)其溫升的影響。n 圖8給出了大規(guī)模集成電路(LSI)和小規(guī)模集成電路(SSI)混合安裝情況下的兩種排列方式。LSI的功耗為1.5 W，SSI的功耗為0.3 W。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，圖8(a)所示排列方式使LSI的溫升達(dá)50，而圖8(b)所示排列方式使LSI的溫升為40，顯然采納后一種排列方

14、式對(duì)降低LSI的溫升更為有效。SSILSI3028502018空氣流(a)空氣流(b)3027252340圖8 集成電路的排列方式對(duì)其溫升的影響n4.7 電子設(shè)備的氣候防護(hù)n 潮濕、鹽霧、霉菌以及氣壓、污染氣體對(duì)電子設(shè)備影響很大，其中潮濕的影響是最主要的。特別是在低溫高濕條件下，空氣濕度達(dá)到飽和時(shí)會(huì)使機(jī)內(nèi)元器件、印制電路板上產(chǎn)生凝露現(xiàn)象，使電性能下降，故障上升 n1. 潮濕的防護(hù)n電子設(shè)備受到潮濕空氣的侵蝕，會(huì)在元器件或材料表面凝聚一層水膜，并滲透到材料內(nèi)部，從而造成絕緣材料的表面電導(dǎo)率增加，體積電阻率降低，介質(zhì)損耗增加，零部件電氣短路、漏電或擊穿等。潮氣還能引起覆蓋層起泡甚至脫落，使其失去保

15、護(hù)作用。n防潮濕的措施很多，常用的方法有浸漬、灌封、密封等。n1) 浸漬n 浸漬是將被處理的組件或材料浸入不吸濕的絕緣漆中，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間使絕緣液體進(jìn)入組件或材料的小孔、縫隙和結(jié)構(gòu)件的空隙，從而提高組件或材料的防潮濕性能和其他性能。n2) 灌封n 灌封是用于熱溶狀態(tài)的樹(shù)脂、橡膠等將電器組件澆注封閉，形成一個(gè)與外界完全隔絕的獨(dú)立的整體。 n3) 密封n 密封是防止潮濕長(zhǎng)期影響的最有效的方法。密封是將零件、元器件、部件或一些復(fù)雜的裝置甚至整機(jī)安裝在不透氣的密封盒內(nèi)，這種防潮手段屬于機(jī)械防潮。n n2. 鹽霧和霉菌的防護(hù)n1) 鹽霧的防護(hù)n 鹽霧主要發(fā)生在海上和近海地區(qū)，因鹽堿被風(fēng)刮起或鹽水蒸發(fā)而形成

16、的一種帶有鹽分的霧狀氣體。 n 鹽霧的防護(hù)方法主要是：在一般電鍍的基礎(chǔ)上進(jìn)行加工，即嚴(yán)格電鍍工藝，保證鍍層厚度，選擇適當(dāng)?shù)腻儗臃N類；采用密封機(jī)殼或機(jī)罩，使設(shè)備與鹽霧環(huán)境隔開(kāi)；對(duì)關(guān)鍵組件進(jìn)行灌封或加其他密封措施。n2) 霉菌的防護(hù)n 霉菌是指生長(zhǎng)在營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)上而形成絨毛狀、蜘網(wǎng)狀或絮狀菌絲體的真菌。霉菌種類繁多。 n電子設(shè)備的霉菌防護(hù)方法有以下幾種：n (1) 控制環(huán)境條件。 n (2) 密封防霉。 n (3) 使用防霉劑。n (4) 使用防霉材料。 n3. 金屬的防腐n 電子設(shè)備中大量應(yīng)用到金屬材料，金屬材料會(huì)和周圍腐蝕介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)作用，從而導(dǎo)致金屬的腐蝕。 n金屬防腐蝕措施如下：n(1

17、) 選擇合適的材料。金屬材料的耐蝕性能與所接觸的介質(zhì)有密切的關(guān)系。選材時(shí)，首先要知道腐蝕介質(zhì)的種類、腐蝕強(qiáng)度、PH值以及影響腐蝕性的諸如環(huán)境溫度、濕度變化情況等各種因素。 n (2) 采用表面涂覆方法。表面涂覆是電子設(shè)備最常用的金屬防腐蝕方法。表面涂覆就是在零件表面涂覆一層金屬或非金屬覆蓋層。根據(jù)構(gòu)成覆蓋層的物質(zhì)不同，可將覆蓋層分為三類：金屬覆蓋層(電鍍)、化學(xué)覆蓋層(金屬氧化物)和涂料覆蓋層。n4.8 電子設(shè)備的電磁防護(hù)n 屏蔽就是用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧现瞥傻囊院?、殼、板和柵等形式，將電磁?chǎng)限制在一定空間范圍內(nèi)，使電磁場(chǎng)從屏蔽體的一面?zhèn)鞯搅硪幻鏁r(shí)受到很大的衰減，從而抑制電磁場(chǎng)的擴(kuò)散。根據(jù)屏蔽抑制功

18、能的不同，可分為電屏蔽、磁屏蔽和電磁屏蔽。n 電屏蔽即靜電或電場(chǎng)的屏蔽，用于防止或抑制寄生電容耦合，隔離靜電或電場(chǎng)干擾。電屏蔽最簡(jiǎn)單的方法是在感應(yīng)源和受感器之間加一塊接地良好的金屬板，把感應(yīng)源的寄生電容短接到地，達(dá)到屏蔽的目的。n 磁屏蔽用于防止磁感應(yīng)，抑制寄生電感耦合，隔離磁場(chǎng)干擾。n 電磁屏蔽用于防止或抑制高頻電磁場(chǎng)的干擾。n1. 元器件防靜電措施n 半導(dǎo)體器件在制造、存貯、運(yùn)輸及裝配過(guò)程中均可能因摩擦而產(chǎn)生靜電電壓，當(dāng)器件與這些帶電體接觸時(shí)，帶電體就會(huì)通過(guò)器件引腳放電，引起器件失效。如MOS器件、雙極器件和混合集成電路等器件對(duì)靜電放電損傷敏感。n 以對(duì)靜電敏感的CMOS集成電路為例，在電

19、路設(shè)計(jì)及印制板設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：n (1) 不使用的輸入端應(yīng)根據(jù)要求接電源或接地，不得懸空。n (2) 作為線路板輸入接口的電路，其輸入端除加瞬變電壓抑制二極管外，還應(yīng)對(duì)地接電阻器(阻值一般取0.21 M)。n (3) 當(dāng)電路與電阻電容組成振蕩器時(shí)，電容器存貯電荷產(chǎn)生的電壓可使有關(guān)輸入端的電壓瞬時(shí)高于電源電壓。 n(4) 作為線路板輸入接口的傳輸門，每個(gè)輸入端都應(yīng)串接電阻器(阻值取50100)。n(5) 作為線路板輸入接口的邏輯門，每個(gè)輸入端都應(yīng)串接電阻器(阻值取100200)。n(6) 作為線路板輸入接口的應(yīng)用部位，應(yīng)防止其輸入電位高于電源電位(先加信號(hào)源，后加線路板電源，就可導(dǎo)致這一

20、現(xiàn)象發(fā)生)。n2. 導(dǎo)線的屏蔽n1) 印制導(dǎo)線屏蔽n 單面印制板在信號(hào)線之間設(shè)置接地的印制導(dǎo)線可以起屏蔽作用，如圖9(a)所示。雙面印制板，除在信號(hào)線之間設(shè)置接地線以外，其背面銅箔也接地，增強(qiáng)了屏蔽作用，如圖9(b)所示。信號(hào)線地線信號(hào)線地線(a)信號(hào)線地線 信號(hào)線(b)圖9 印制板的屏蔽線n 2) 高頻導(dǎo)線(同軸射頻電纜)的屏蔽n 高頻導(dǎo)線的屏蔽主要是在其外面套上一層金屬絲的編織網(wǎng)，中心是芯線，金屬網(wǎng)是屏蔽層，芯線和屏蔽層之間襯有絕緣材料，屏蔽層外還有一層絕緣套管。n (1) 高頻高電平導(dǎo)線的屏蔽。對(duì)于高頻高電平導(dǎo)線，屏蔽的作用主要是防止其干擾外界。導(dǎo)線接入電路時(shí)，只要將屏蔽層在一端接地，則中心導(dǎo)線信號(hào)電流在屏蔽層上感應(yīng)出的電荷就被釋放到地，在屏蔽層外部沒(méi)有電場(chǎng)。一端接地的方法具有有效的電場(chǎng)屏蔽作用，如圖10所示。屏蔽層電場(chǎng)磁場(chǎng)UZUZ圖10 屏蔽體一端接地的電場(chǎng)屏蔽作用n 如果屏蔽層兩端接地，則使屏蔽層通過(guò)地能夠得到一個(gè)與中心線電流方向相反的電流。兩電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)互相抵消，使在屏蔽層的外面沒(méi)有磁場(chǎng)輻射，從而起到磁屏蔽作用，如圖11(a)、(b)所示。n (a)(b)I1IsIgABR1圖11 屏蔽體上有電流時(shí)的屏蔽作用n 屏蔽層與屏蔽盒的連接正確與否也很重要。正確的接法是：屏蔽層在芯線進(jìn)入屏蔽