關曉丹——電子產品制造性設計

1、 / 22 文檔可自由編輯打印畢業(yè)設計報告（論文）報告（論文）題目： SMT 工藝與設備作者所在系部： 電子工程系 作者所在專業(yè)： 電子工藝與管理 作者所在班級： 10252 作 者 姓 名 ： 李雪丹 作 者 學 號 ： 20103025220 指導教師姓名： 關曉丹 完 成 時 間 ： 2013 年 6 月 10 日 北華航天工業(yè)學院教務處制 / 22 文檔可自由編輯打印北華航天工業(yè)學院電子工程系畢業(yè)設計（論文）任務書姓姓 名：名：李雪丹專專 業(yè)：業(yè)：電子工藝與管理班班 級：級：10252學號：學號：20103025220指導教師：指導教師：關曉丹職職 稱：稱：講師完成時間：完成時間：20

2、13 年 6 月 10 日畢業(yè)設計（論文）題目：畢業(yè)設計（論文）題目： SMTSMT 工藝與設備工藝與設備設計目標：設計目標：電子產品造型設計、整機結構設計、印制電路板組件設計制造技術、微電子工藝、電子設備加工和調試技術等，有力地保證了生產的系統(tǒng)性和實用性。技術要求：技術要求：防靜電技術、環(huán)境控制、加工和調試、設計及生產所需儀器設備：所需儀器設備： （1）焊接設備（2）設備生產（3）形成工藝文件標準（4）電子電裝元件 （5）調試檢驗維護電子儀器成果驗收形式：成果驗收形式：畢業(yè)論文 參考文獻：參考文獻：表面組裝技術 、 電子產品與工藝 、 電子設備結構與工藝 、 電子產品工藝實訓 、 電子技能與

3、訓練 、 電子產品結構工藝 、 電子產品工藝 、 電子技能訓練 、電子技術基礎技能實訓 、 電子工藝及電子工程設計 、 電子設備裝聯(lián)工藝基礎 、 現代電子設備制造手冊 。15 周-6 周立題論證39 周-13 周資料收集時間時間安排安排27 周-8 周方案設計414 周-16 周成果驗收指導教師指導教師： 教研室主任教研室主任： 系主任系主任： / 22 文檔可自由編輯打印摘 要隨著電子技術的發(fā)展，電子產品正廣泛應用于人類生活的各個領域。電子產品的生產與發(fā)展是與電子技術的發(fā)展密切相關的。新材料的使用新器件的出現，尤其是大規(guī)模超大規(guī)模集成電路的出現和推廣應用，以及工藝手段的不斷革新，使電子產品在

4、電路上和結構上都產生了巨大的飛躍。為現在生產提供了指導、準則和大量的數據及圖示，以現代電子設備可靠性設計、制造技術為主題，首先介紹了電子設備內部和外部環(huán)境防護設計的基本原理及相關技術，如電子設備熱設計、防腐蝕設計、隔振緩沖設計、電磁兼容設計和整機結構設計等，并以信息設備和電力設備為例，進行詳細闡述；然后以現代先進的電子設備制造技術，尤其是印制電路板設計制造、微電子工藝、設備組裝和調試等工藝設計技術要求及生產。關鍵詞 電子設備的生產 電子產品的制造 工藝標準 設計技術要求I / 22 文檔可自由編輯打印目 錄第第 1 1 章章 緒論緒論 .1 1第第 2 2 章章 電子設備基礎知識電子設備基礎知

5、識 .2 22.1 電子產品的分類和特點.22.2 環(huán)境對電子設備的要求.32.3 電子設備設計制造基礎.62.3.1 電子設備及結構設計基礎 .62.3.2 電子設備制造材料基礎 .82.3.3 電子設備制造工藝基礎 .8第第 3 3 章章 電子設備熱設計電子設備熱設計 .9 93.1 電子設備熱設計 .93.1.1 電子設備熱環(huán)境和散熱途徑 .93.1.2 電子設備熱設計原則和步驟 .103.2 電子設備的強迫風冷 .11第第 4 4 章章 總結總結 .1414致致 謝謝 .1515參考文獻參考文獻 .1616附附 錄錄 .17170 / 22 文檔可自由編輯打印電子產品的制造性設計第1章

6、 緒論當前，人們把利用電子學原理制成的設備、裝置、儀器、儀表等統(tǒng)稱為電子設備。例如，通信設備、電視機、電子計算機、電子測量儀器等，正廣泛應用于人類生活的各個領域。 電子產品的設計制造技術與電子技術的發(fā)展密切相關。新材料的使用、新器件的出現，尤其是大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的推廣應用，以及微電子工藝的不斷革新，使電子設備在電路上和結構上都產生了巨大的飛躍電子產品由于產生、變換、傳輸和接收的電磁信號的不同，一般分為模擬設備和數字設備。預研究工作的任務是在產品設計前突破復雜的關鍵技術課題，為確定設計任務書、選擇最佳設計方案創(chuàng)造條件；或根據電子技術發(fā)展的新趨向，尋求把近代科學技術的成果應用于產品設計的途

7、徑，有計劃地研究新結構、新工藝和新理論，以及采用新材料和新器件等先行性技術課題，為不斷在產品設計中采用新技術，創(chuàng)造出更高水平的新產品奠定基礎。該階段的工作，一般按擬定研究方案和試驗研究兩道程序進行。設計性試制階段 凡自行設計或測繪試制的產品，一般都要經過設計性試制階段。其任務是根據批準的設計任務書，進行產品設計，編制產品設計文件和必要的工藝文件，制造樣機，并通過對樣機全面試驗，檢查鑒定產品的性能，從而肯定產品設計與關鍵工藝。一般工作程序如下所述。 本論文將介紹電子產品的設計及生產工藝，電子設備的生產 、電子產品的制造 工藝標準及設計技術要求。1 / 22 文檔可自由編輯打印第2章 SMT工藝2

8、.1 SMT 工藝SMT 是表面組裝技術（表面貼裝技術） （Surface Mounted Technology 的縮寫） ，是目前電子組裝行業(yè)里最流行的一種技術和工藝。SMT 主要內容及基本工藝構成要素錫膏印刷- 零件貼裝- 回流焊接- AOI 光學檢測- 維修- 分板錫膏印刷其作用是將錫膏漏印到 PCB 的焊盤上，為元器件的焊接做準備。所用設備為印刷機 SMT 加工車間（錫膏印刷機） ，位于 SMT 生產線的最前端。零件貼裝其作用是將表面組裝元器件準確安裝到 PCB 的固定位置上。所用設備為貼片機，位于 SMT 生產線中印刷機的后面，一般為高速機和泛用機按照生產需求搭配使用?；亓骱附悠渥饔?/p>

9、是將焊膏融化，使表面組裝元器件與 PCB 板牢固焊接在一起。所用設備為回流焊爐，位于 SMT 生產線中貼片機的后面，對于溫度要求相當嚴格，需要實時進行溫度量測，所量測的溫度以 profile 的形式體現。AOI 光學檢測其作用是對焊接好的 PCB 板進行焊接質量的檢測。所使用到的設備為自動光學檢測機（AOI） ，位置根據檢測的需要，可以配置在生產線合適的地方。有些在回流焊接前，有的在回流焊接后維修其作用是對檢測出現故障的 PCB 板進行返修。所用工具為烙鐵、返修工作站等。配置在 AOI 光學檢測后分板其作用對多連板 PCBA 進行切分，使之分開成單獨個體，一般采用 V-cut 與 機器切割方式

10、2.2 環(huán)境對電子設備的要求1氣溫環(huán)境概述 (1)影響作業(yè)環(huán)境中熱環(huán)境的基本因素主要包括：有氣溫，相對濕度，風速，熱輻射，服裝隔熱值；活動產熱值等。人為了保持恒定的體溫，人體通過熱交換，使體內產生的熱量及從外界所得的熱量總和，與人體向外界散熱的熱量總和，大致保持平衡。影響熱交換的 4 個主要的環(huán)境因素：入體周圍的空氣溫度、空氣濕度、空氣流動（風）和輻射溫度（人體周圍一定區(qū)域內的墻體、天花板和其他物體表面的溫度）。 (2)有效溫度有效溫度是考慮了溫度、濕度、風 3 方面因素的一個綜合性指標。在任何微氣候環(huán)境條件下，若人體的溫度感覺與風速小于或等于 0.1m/s（自然對流）、相對濕度為 10001

11、0 條件下的某溫度值引起的感覺相同，這個溫度值就是有效溫度值。 (3)有效溫度的組成同一有效溫度值可由不同的氣溫值、相對濕度值和風速值組合產生。例如，在下述 3 種微氣候條件中，人們產生了相同的溫度感覺（有效溫度相同），都是 17.7。ET。三者關系：氣溫 17.7，相對濕度 100u/o，風速 0.1m/s；氣溫 22.4，相對濕度 70%，風速2 / 22 文檔可自由編輯打印0.5 m/s;氣溫 25，相對濕度 20%，風速 2.5m/s。通?？筛鶕囟龋〝z氏溫度或華氏溫度）、濕度（相對濕度）和風速 3 個因素，從有效溫度圖（也稱溫濕圖）中直接查得有效溫度值。2氣溫環(huán)境的生理效應和對作業(yè)的

12、影響 (1)高溫的生理效應1)人在高溫環(huán)境下工作，新陳代謝速度加快，人的產熱量增加，散熱落后于產熱過程，體內積蓄過量的熱，導致體溫升高，呼吸和心率加快。若長時間處于這神狀況，將出現失水，失鹽、頭暈、惡心、極度疲乏等癥狀。嚴重時，甚至會昏厥（中暑）以致死亡。 2)在高溫情況下，出汗蒸發(fā)是人體散發(fā)熱量的主要途徑，在安靜狀態(tài)下，相對濕度為 22%、氣溫達 30或相對濕度為 60%、氣溫達 2526時，人體開始知覺出汗。相對濕度增加，人體因散熱困難，而增加出汗；勞動強度增大，機體的代謝產熱量增大，會增加出汗。3)人們在熱環(huán)境下工作，周圍溫度對心血管應力的總影響，可用工作能力來描述。在溫度 24-40，

13、周圍溫度每提高 10，增加的生理學應力相當于最大工作能力1%。4)人雖能暫時忍受在不舒適熱環(huán)境中工作，但會產生不希望的生理反應和降低生產能力，在熱舒適情況下推薦的最大工作負荷。(2)高溫對作業(yè)的影響1)在高溫環(huán)境下，操作者知覺的速度和準確度以及反應能力均有不同程度的下降。注意力不集中、煩躁不安、易于激動、對工作滿意感大為降低。2)高溫對操作效率的影響。溫度達 2732時，肌肉用力的工作效率下降；溫度高達 32以上時，需要注意力集中的工作以及精密工作的效率也開始下降。3)高溫帶來潛在的不安全性。用汗?jié)袷肿ノ瘴矬w或控制器比較困難，增加了工具失控或負荷失控的可能；在熱和潮濕環(huán)境中工作，形成潮濕的地板

14、或工作物表面，增加了潛在的滑倒危險；汗侵入眼睛，引起眼睛疼痛并干擾目視作業(yè)，會導致監(jiān)控失誤；降低皮膚的阻抗，會增加人們遭受電擊的沖擊。(3)低溫的生理效應1)在低溫條件下，皮膚毛細血管收縮，使人體散熱量減少，通過肌肉收縮（表現為肌肉緊張、顫抖），使人體產熱量增加，當產熱量小于散熱量時，機體體溫下降，當體溫降到 35以下，機體就會出現各種不同的功能紊亂現象，甚至死亡。2)環(huán)境溫度過低成在寒冷環(huán)境下暴露時間過長，都會發(fā)生凍痛、凍傷和凍僵現象。凍痛往往是凍傷的先兆，凍痛后若持續(xù)低溫暴露則會繼發(fā)凍傷、凍僵。3)最常見的是局部過冷，如手、足、耳及面頰等外露部分發(fā)生凍傷，嚴重時可導致肢體壞疽。此外，長期在

15、低溫、高濕條件下勞動，易引起肌痛、肌炎、神經痛、神經炎、腰痛和風濕性疾患等。(4)低溫對作業(yè)的影響1)低溫環(huán)境即使不足以引起機體過冷，但仍會對工作效率產生不良影響，主要表現在觸覺辨別準確率下降，手的靈活程度和操作的準確性下降，視反應時延長。2)當環(huán)境溫度（干球溫度）為 15時，手的柔韌性開始下降；當進行操作的手部皮膚溫度為 153 / 22 文檔可自由編輯打印時，就會影響打字或追蹤操縱能力；在 8時，手的觸覺能力下降；在 7時，手工作業(yè)的效率僅為最舒適溫度時的 80010；到 4。C 時將影響握力。低溫還會降低要求有較高注意力和良好短時記憶作業(yè)的效績。3氣溫環(huán)境設計(1)代謝產熱值體內產生的熱

16、量是熱負荷的一個部分，不同活動（典型作業(yè)）的代謝率。代謝率的單位是 met，Imet=58.15W/m2：0.83kcal/( minm2)。(2)計算溫度（作業(yè)溫度）計算溫度也稱作業(yè)溫度（to），它把氣溫(干球溫度 ta)、風速、輻射熱（黑球溫度 tg）3 介因素綜合起來，衡量微氣候環(huán)境對機體熱平衡的影響，是評價熱環(huán)境的重要綜合指標，也是進行工作設計（如室內的空調工程設計）的指標。 (3)至適溫度也稱舒適溫度，通常是指主觀至適溫度，即指 85%的人主觀感覺至適的溫度，至適溫度取決于作業(yè)環(huán)境的微氣候條件、人的衣著、勞動強度。1)持續(xù)接觸熱后必要休息時間不得少于 15min。休息時應脫離熱環(huán)境。

17、2)凡高溫作業(yè)工作地點空氣濕度大于 75%時，空氣濕度每增加 10%，允許持續(xù)接觸熱時間相應降低一個檔次，即采用高于工作地點溫度 2的時間限值。4改善氣溫環(huán)境的措施 (1)改善熱不舒適措施 1)降低溫度。合理布置熱源和疏散可移動的熱源。 2)降低濕度?？杉涌旌挂赫舭l(fā)，在設計時，應在通風口設置去濕器。3)增加氣流速度（如提供風扇）。干球溫度 25以上時，增加氣流速度可顯著提高舒適度；當周圍溫度升高到 35以上時，尤其是相對濕度高時(70%)，其作用減弱；在中等強度到重體力勞動情況下，當氣流速度大于 2m/s 時，散熱效率不再提高。4)降低工作負荷，可減少人體產熱，以利保持人體的熱平衡：放慢工作速

18、率，盡可能縮短連續(xù)工作時間，如實行小換班、增加工間休息次數，延長休息時間等（休息時應離開熱和潮濕環(huán)境）；采用輔助工具，減輕體力勞動強度。5)調節(jié)衣服。穿著防護服，特殊高溫作業(yè)需佩戴隔熱面罩、穿熱反射服（鍍鋁夾克）或冰背心、風冷衣。 6)提供對輻射熱的防護層。在人和輻射表面之間放置防護屏（隔板），隔熱板可用泡沫塑料（也可用木質或織物）和鍍鋁反射層組成。7)舒適的休息場所。提供工間休患場所，該處有適度的流動空氣和涼爽的環(huán)境( 2030)，并提供坐椅和飲水。 (2)改善冷不舒適措施 1)降低氣流速度。用擋風板、防風罩或防風衣降低風對人的影響。 2)增加或超出工作負荷。調節(jié)工作負荷，使動靜作業(yè)合理結合

19、調配。 3)增加服裝隔熱值。不舒適程度一般是相對于膚溫而言的，增加服裝隔熱面和隔熱層，提高服裝的隔熱值，例如，穿著御寒服（熱阻值大、吸汗和透氣性強的衣料制成），且尺寸不宜過緊。 4)增加輻射熱。提供加熱器，呵增加小范圍內的舒適。 5氣體環(huán)境(1)氣體污染源及其對身體的影響1)普通室內氣體污染源主要來自 3 個方面。建筑材料本身的污染；裝飾裝修帶來的污染（尤其是低檔材料）：家具帶來的污染。2)室內氣體污染對人健康的影響。上述三4 / 22 文檔可自由編輯打印大污染源中含有揮發(fā)性有機化合物達 300 多種，其中最主要、最常見、危害最大的 5 種污染物質是甲醛、VOC（苯及其同系物）、氨、氡及石材本

20、身的放射性。這 5 種物質被稱為五大“健康殺手”。研究表明，68%的人體疾病均與室內污染有關，其中最常見的癥狀是頭痛、胸悶、易疲勞、煩燥、皮膚過敏等反應，WHO 稱此現象為“致病建筑綜合癥”。3)工業(yè)區(qū)氣體污染源。在化學、輕工、冶煉，機械加工和交通等作業(yè)場所會逸出有害氣體、蒸汽和氣溶膠。當其達到一定劑量，會引起職業(yè)中毒，但許多毒物在尚未達到中毒劑量前已可影響工效。 (2)氣流質量要求1)廠房的最低層高不應低于 3.Om，每個工作人員所占廠房的建筑容積不小于 20m3，對新鮮空氣量的要求如下：人均所占容積為 2040m3 時，應保證每人每小時不少于20m3 新鮮空氣量；人均所占容積超過 40m3

21、 時，可由門窗滲入的空氣來換氣。2)任何有人的封閉環(huán)境，為保持空氣新鮮，都應提供足夠的通風。如果環(huán)境容積小于或等于人均 4.25ffl3，則至少應向該部位提供人均 0.85m3/min 的通風，其中室外的新鮮空氣應占 2/3 左右。對容積較大的封閉環(huán)境，人均供氣量應按圖 4-9 曲線的數據提供。3)室內空氣質量要求：在 GB/T 18883室內空氣質量標準中，對室內空氣質量的主要控制指標，做了明確的規(guī)定。 (3)保證空氣質量的防護措施1)常用的防護措施。選擇無毒的建筑裝修材料，污染環(huán)境的設備（如可產生臭氧的復印機、蓄電池室等）應與操作人員的活動區(qū)域隔離，換氣率必須適當，既不能換氣過度，使操作人

22、員感到不適，也不能過少，致使污染物蓄積。 2)應在工廠和工藝流程中，杜絕任何有毒氣體的泄漏，控制有害廢氣的排放。3)嚴格執(zhí)行有關國家標準和建設部的有關建筑標準，以保證室內空氣質量不致?lián)p及人的健康。4)通風空調系統(tǒng)應定期保潔，以避免由于通風空調系統(tǒng)的污染影響室內空氣的質量。2.3 電子設備設計制造基礎如今的中國已成為世界電子設備制造中心，中國整個電子制造業(yè)的結構正在發(fā)生新的變化與調整，新器件、新材料、新工藝不斷問世，特別是日新月異的微電子技術正在向各個領域廣泛滲透。因此傳統(tǒng)的電子設備結構設計和工藝方法受到嚴重挑戰(zhàn)，中國電子制造業(yè)迫切需要大量精通各方面知識的設計、制造工程師?，F代電子設備所處的環(huán)境

23、主要包括氣候環(huán)境、機械環(huán)境、電磁環(huán)境、生物化學環(huán)境和核輻射環(huán)境等。各種環(huán)境因素的影響可能導致電子設備性能降低、失效甚至損壞，必須采取防護措施。5 / 22 文檔可自由編輯打印2.3.1 電子設備及結構設計基礎電子設備的設計通常包括線路設計和結梅設計。線路設計是根據產品的性能要求和技術條件，確定設計方案，初定方框圖和電路圖，在此基礎上進行必要的計算和試驗，最終確定線路圖并選定元器件及其參數。電子設備的結構設計是根據線路設計提供的資料和數據并考慮電子設備的性能要求和技術條件等，合理地布置元器件，使之組成部件或電路單元，同時還要與其他單元連接起來，進行機械設計和防護設計等，最后組成一臺完整的產晶，給

24、出全部工作圖紙。 目前，電子設備的結構設計包括以下幾個方面內容。 (1)整機組裝結構設計（總體設計） 根據產品的技術要求和使用的環(huán)境條件，整機組裝結構設計的內容如下所述。 環(huán)境防護設計：包括元器件、組件及整機的熱設計；防腐、防潮和防霉設計；振動與沖擊隔離設計及屏蔽與接地設計等。 結構件設計：包括機柜、機箱（或插入單元）、機殼、機架、底座、面板、把手、鎖定裝置及其他附件的設計。 機械傳動裝置設計：根據信號的傳遞或控制程中，對某些參數（電或機械）的調節(jié)和控制所必需的各種機械傳動組件或執(zhí)行元件進行設計。 總體布局：在完成上述各方而的設計之后，合理地安排結構布局，相互之間的連接形式以及結構尺寸的確定等

25、。(2)熱設計產品的熱設計是指對電子元器件、組件以及整機的溫升控制，尤其是對于高密度組裝的產品，更應注意其熱耗的排除。溫升控制的方法包括自然空冷、強迫空冷、強迫液冷、蒸 發(fā)冷卻、溫差電制冷和熱管傳熱等各種形式。 (3)電磁兼容性設計產品中的數據處理和傳輸系統(tǒng)的自動化要求各系統(tǒng)有良好的抗干擾能力。因此，應進行電磁屏蔽與接地等設計，以提高產品對電磁環(huán)境的適應性。其措施包括噪聲源的抑制、消除噪聲的耦合通道和抑制接收系統(tǒng)的噪聲等。 (4)防腐設計 嚴酷的氣候條件會引起電子設備中金屬和非金屬材料發(fā)生腐蝕、老化、霉爛和性能顯著下降等各種現象。因此，應根據產品所處環(huán)境條件的性質和影響因素的種類和作用強度的大

26、小來確定相應的防護措施，設計合理的防護結構，選擇耐腐蝕材料，應用新的抗腐蝕方法。 (5)機械傳動裝置設計產品在完成信號的產生、放大、變換、發(fā)送、接收、顯示和控制的過程中，必須對各種參數（電的或機械的）進行調節(jié)和控制。因此，需要設計相應的機械傳動裝置或執(zhí)6 / 22 文檔可自由編輯打印行元件來完成這個功能。這里除了常規(guī)的機械傳動裝置設計外，主要是與電性能密切相關的轉動慣量、傳動精度、剛度和摩擦等問題的設計。 (6)結構的靜力與動力計算 對于運載工具中使用或處于運輸過程中的電子產品，則要求有隔振與緩沖描施，以克服由于機械力引起的材料疲勞應力和結構諧振而對電性能的影響。對于薄壁和型材的機柜（機殼）結

27、構，則還要考慮結構的強度、剛度和穩(wěn)定性問題。(7)連接設計 產品中存在著大量的固定、半固定以及活動的電氣接點，實踐證明，這些接點的接觸可靠性對整機或系統(tǒng)的可靠性有很大的影響。因此，必須正確地設計和選用固定連接的工藝，如釬焊、壓接和熔接等。同時，還應注意對各種接插件和開關件等這些活動連接件的選用。(8)人機工程學在結構設計中的應用產品既要滿足電性能指標的要求，又要使產品的操作者感到方便、靈活和安全，同時外形必須美觀大方。這樣就要求用人機工程學的基本原理來考慮人與產品的相互關系，設計出符合人的生理和心理特點的結構，更好地發(fā)揮人和機器的效能。 (9)造型與色彩的設計 產品的造型具有實用功能和使用功能

28、，而電子產品的色彩可以給人以美的享受。優(yōu)秀的造型與色彩設計既可以節(jié)省物力和財力，又可以獲得最大的經濟效益。 ( 10)可靠性試驗 根據技術條件要求和產品的特殊用途，有時要對模擬產品和試制產品進行可靠性試驗或人工環(huán)境試驗，分析試驗的結果，驗證設計的正確性和可靠性指標。2.3.2 電子設備制造材料基礎電子設備材料是指在電子技術和微電子技術中使用的材料，包括介電材料、半導體材料、壓電與鐵電材料、導電金屬及其合金材料、磁性材料、光電子材料以及其他相關材料。電子材料是現代電子工業(yè)和科學技術發(fā)展的物質基礎，同時又是科技領域中技術密集型學科。它涉及到電子技術、物理化學、固體物理學和工藝基礎等多學科知識。根據

29、材料的化學性質，可以分為金屬電子材料,電子陶瓷，高分子電子、玻璃電介質、云母、氣體絕緣介質材料，電感器、絕緣材料、磁性材料、電子五金件、屏蔽材料、壓電晶體材料、電子精細化工材料、電子輕建紡材料、電子錫焊料材料、PCB 制作材料、其它電子材料。7 / 22 文檔可自由編輯打印2.3.3 電子設備制造工藝基礎以電子產品整機制造工藝為主線，分別是常用電子元器件的識別與檢測、常用電子測試儀器的原理及應用、繪圖原理及 PCB 制板工藝、元器件的焊接工藝、電子裝配工藝、典型電子工藝設備制造以及掌握電子產品生產、制作的基本技能，了解電子產品先進的生產工藝和生產手段8 / 22 文檔可自由編輯打印第3章 電子

30、設備熱設計3.1 電子設備熱設計隨著電子技術的迅速發(fā)展，電子技術在軍用和民用的各個領域中得到了廣泛的應用，為提高電子元器件和設備的熱可靠性以及對各種惡劣環(huán)境條件的適應能力，電子元器件和設備的熱設計和熱分析技術得到了普遍的重視和發(fā)展。自 1948 年半導體器件問世以來，電子元器件的小型化、微小型化和集成技術的不斷發(fā)展，使每個集成電路所包含的元器件數超過了 250 000 個。由于超大規(guī)模集成電路（vLsIC）、專用集成電路（AsIC）、超高速集成電路（VHsIC）、無引線器件、表面貼裝和多芯片模塊（MCM）等微電子技術，在結構、工藝、組裝等諸多領域的不斷發(fā)展，使微電子器件及設備的組裝密度和功率密

31、度在迅速提高電子設備熱設計的目的是為芯片級、元件級、組件級和系統(tǒng)級提供良好的熱環(huán)境，保證它們在規(guī)定的熱環(huán)境下，能按預定的方案正常、可靠的工作。熱控制系統(tǒng)必須具有在規(guī)定的使用期內，完成所規(guī)定的功能，并以最少的維護保證其正常工作的功能。3.1.1 電子設備熱環(huán)境和散熱途徑隨著電子技術的飛速發(fā)展,大功率、高功率密度器件被廣泛研制和應用,而如何對這些高功率器件進行合理、有效的散熱,以提高其可靠性,卻是非常困難。內容中主要探討了電子設備的冷卻散熱問題,介紹了冷卻系統(tǒng)的設計原則以及冷卻方式和冷卻介質的選擇,同時對常用的風冷系統(tǒng)及設計時需要注意的問題進行了詳細的分析,在電子設備熱設計中的應用,對一些新型導熱

32、材料的應用進行了展望。熱屏蔽和熱隔離原理如圖 3-1 所示。圖 3-1 熱屏蔽和熱隔離原理9 / 22 文檔可自由編輯打印3.1.2 電子設備熱設計原則和步驟對電子設備進行合理的熱設計是為了用較少的冷卻代價獲得高可靠的電子設備。因此，在熱設計前必須首先了解下面幾個問題： (1)電子設備（包括發(fā)熱元器件）的熱特性 熱設計的主要參數包括各個元器件（產品）的發(fā)熱功率、發(fā)熱元器件（或產品）的散熱面積，以及發(fā)熱元器件和熱敏元器件（或產品）的最高允許的工作溫度及環(huán)境溫度等。電子設備冷卻方法的確定及冷卻介質流量的估算主要取決于這些數據的精確性。這些數據一般由元器件制造廠提供，當這種資料不足時，設計者必須進行

33、估算或由實驗來確定各個參數。在元器件排列之前，可將產品內的所有元件的熱特性列成一個表格。這樣，結構上的排列便可根據元器件的電氣性能和熱特性綜合進行考慮。 (2)元器件（或產品）的環(huán)境溫度 熱設計者應該知道電子設備（或元器件）所處工作環(huán)境（例如，空用、海用、地面和室內設備等）的溫度。 通常以元器件（或產品）的環(huán)境溫度及元器件（或產品）的最高允許溫度作為冷卻系統(tǒng)中冷卻劑進幽口溫度，并以此作為進行熱設計時初步估算的參考數據。熱設計必須滿足兩個條件：把產品的溫度限制在某一最大和最小的范圍內；盡量使電子設備內各點之間的溫差最小。熱設計的基本原則如下： 保證冷卻系統(tǒng)具有良好的冷卻功能，即要保證電子設備內的

34、元件均能在規(guī)定的熱環(huán)境中正常工作。根據產品的熱損耗值、用途及溫升等要求來確定冷卻方法。元器件的配置必須符合散熱的要求，在熱回路中，元器件的發(fā)熱表面到連接物之間的熱阻（熱量傳遞過程的阻力）應盡量小，使元器件在允許溫度下工作。 對密封電子設備，必須同時考慮內部和外部的兩種熱設計方案，使其從內部向外部傳熱的熱阻減至最小。 保證冷卻系統(tǒng)工作的可靠性。不管環(huán)境如何變化，冷卻系統(tǒng)必須能以重復的和預定的方式完成所規(guī)定的功能。在規(guī)定的使用期限內，冷卻系統(tǒng)的故障率應比元器件的故障率低。因此，在冷卻系統(tǒng)中要裝有安全保護裝置，例如，流量開關、溫度繼電器和壓力繼電器等。冷卻系統(tǒng)要具有良好的適應性。因此，設計中對可調性

35、必須留有余地，因為有的產品在工作一段時間后，由于某些因素的變化，引起熱耗散或流體流動阻力的增加，要求增大其散熱能力，以便無須多大的變更就能增加其散熱能力。為了保護 I 作人員及產品的安全，從冷卻系統(tǒng)排出的廢氣不能有過多的毒性、腐蝕性和易燃物等。 冷卻系統(tǒng)要便于維護，便于測試、修理和更換元件。 冷卻系統(tǒng)的設計要有良好的經濟性，使其成本只能占整個產品成本的一定比例。 設計一個較好的冷卻系統(tǒng)必須綜合各方面的因素，使其既能滿足冷卻要求，又能達到電氣性能的指標，所用的冷卻代價最小，結構緊湊，工作可靠。而這樣一個冷卻系統(tǒng)往往10 / 22 文檔可自由編輯打印要通過一系列的技術方案論證之后才能得到。這里要遵

36、循的原則是：最佳的熱設計應是能滿足技術要求的最簡單的方案。3.2 電子設備的強迫風冷1.設計的基本原則整機強迫風冷卻系統(tǒng)設計的重點在于合理控制氣流和分配氣流，使其按照預定的路徑通行，并將氣流合理分配給各單元和組件，使所有元器件均在低于額定溫度的環(huán)境下工作。 在排列元器件時，應將不發(fā)熱和發(fā)熱量小的元件排列在冷空氣的上游（即靠近進風口），耐溫性低的元器件排列在最上游，其余元件可按它們的耐溫的高低，以遞增的順序逐一排列。對那些發(fā)熱量大，而導熱性能差的元器件，必須使其暴露在冷氣流中；而導熱性好的，體積較大的變壓器、電感類器件可依靠導熱方式，將其熱量傳到附近有冷空氣流過的底板上。 在不影響電性能的前提下

37、，將發(fā)熱量大的元器件集中在一起，并與其他元器件采用熱絕緣的辦法，進行單獨的集中通風冷卻。這樣可使系統(tǒng)（或單元）所需的風量和風壓顯著下降，以減少通風機的電機功率。 為了降低冷空氣的輸送阻力，各元器件在單元內排列時，應力求對氣流的阻力最小，盡量避免在風道上安裝大型元件以防造成阻塞。 整機通風系統(tǒng)的進、出風口應盡量遠離，以避免氣流短路。 為提高主要發(fā)熱元件的換熱效率，可將元器件裝入與其外形相似的風道內，進行單獨的集中通風冷卻。 2強迫風冷系統(tǒng)的基本形式(1)單個元器件的強迫風冷 在工程上常常會遇到這樣的問題：在整機的機箱中，只有單個電子器件需要冷卻，例如，顯示卡上的信號處理模塊和計算機中的 CPU

38、等需進行單獨集中風冷。這時可選擇合適的通風機、風扇和（或）設計一個專用的風道，將需要泠卻的元件（如大功率器件）裝在該系統(tǒng)內進行強迫通風。 (2)整機的抽風冷卻 整機的抽風可分為有風管與無風管兩種形式。有風管的抽風，其風管可以裝在機柜的后側，也可以放在機柜的兩側，視具體情況而定。風道口的大小可根據每個分機或插箱的熱損耗來確定。 抽風冷卻主要適用于熱耗散比較分散的整機或機箱。熱量經專門的風道或直接排到設備周圍的大氣中。抽風冷卻的特點是風量大，風壓小，各部分風量分布比較均勻。因此，整機的抽風冷卻常用在機柜中各單元熱量分布比較均勻，各元件所需冷卻表面的風阻較小的情況下。由于熱空氣的密度較小，它有一個上

39、升力，因此抽風機一般都裝在機柜項部或上側面，出風口面向大氣或設備周圍的介質。 當各單元有熱敏元件時，為防止上升氣流流過熱敏元件，就需要有專用的抽風管道。此時應設計成上下各單元互不通氣。為防止灰塵吸入，可在進風口處裝濾塵裝置。 當機柜的中部或頂部各單元需要風冷，但沒有熱敏元件時，可采用沒有專用抽風道的形式，為了便于氣流流通，機柜底板以及中層各底板均需要開孔和開槽。為防止氣流短路，只允許在機柜底側開百葉窗或通風孔和槽等。 (3)整機的鼓風冷卻它也可以分為有風管道和無風管道兩種。整機鼓風冷卻的11 / 22 文檔可自由編輯打印特點是風壓大，風量比較集中。整機鼓風冷卻通常用在單元內熱量分布不均勻，在風

40、阻較大、元器件較多的情況下，各單元需要有專門風道冷卻。其中，有風管道形式，這樣便于控制各單元的風量。無風管道形式，只適用于在底層內具有風阻較大的元器件，且上層無熱敏元件的情況。 空氣的出口溫度應根據單元內各元件允許的表面溫度來確定。這種風量計算方法比較保守，因為它已經忽略了機柜四周對大氣的輻射和自然對流換熱所散去的熱量（假設機柜表面溫度高于周圍環(huán)境溫度），因此所得風量偏大。 其中自然冷卻技術如圖 3-2 所示。圖 3-2 自然冷卻技術其中不發(fā)熱元器件的熱安裝如圖 3-3 所示。圖 3-3 不發(fā)熱元器件的熱安裝3通風管道的設計原則 對于有專門管道的強迫通風系統(tǒng)，正確地設計和安裝通風管道對散熱效果

41、有較大的影響。通風管道的設計應注意 F 面幾個問題： 通風管道應盡量短縮，短管道可以降低風道的阻力損失，同時也使制造和安裝簡單，節(jié)約材料。 盡可能用直管，直管不僅容易加工，而且局部阻力小。但實際應用中，管子的彎曲是不可避免的，如一些大型機柜的通風，由于設備是分層的空間安裝，各個分機的通風管道就要根據各分機的散熱量12 / 22 文檔可自由編輯打印進行分支和彎曲。當管道需要彎曲時，應采用局部阻力小的結構，并且最好在風速較小的地方彎曲。 管道的截面尺寸和出口形狀要選擇合理。風道的截面尺寸最好和風機的出口一致，以免因變挨截面而增加阻力損失。大功率元器件的送風管，截面形狀應根據元器件的形狀而定，可以是圓形、橢圓形，也可以是正方形或長方形等。風道的截面尺寸應能保持所需的 Re 數。 合理設計進風口的結構進風口的結構設計原則是：一方面盡量使其對氣流的阻力最?。毫硪环矫嬉_到濾塵作用。兩者之間是相互矛盾的，常常為達到濾塵的目的，就不得不降低第一個要求。在濾塵要求不嚴的情況下進風。二、三層交叉排列、外層折成波浪形的濾塵裝置，其濾塵效果較好；泡沫塑料加金屬網的結構形式，泡沫塑料濾塵器的厚度應在 20 mm 以上，為了便于拆洗濾塵器，可做成單獨部件，四周用邊框固定，清洗時可拆下。 在某些情況下，電子設備的阻力計算是很困難的，如集成化的電子設備，其抽風和鼓風的機柜阻力就只能借助于實驗