電子設(shè)備“三防”設(shè)計(jì)與熱設(shè)計(jì)

1、電子設(shè)備“三防”設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì) 現(xiàn)代“三防”技術(shù)的范疇，已不單純是一項(xiàng)工藝技術(shù)的實(shí)施，而應(yīng)當(dāng)涉及到電路、結(jié)構(gòu)、工藝和綜合性技術(shù)管理的各個(gè)方面，其中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是將“三防”貫徹到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵，必須重視“三防設(shè)計(jì)”，而并非單純的在產(chǎn)品完成后進(jìn)行“三防設(shè)計(jì)”。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的“三防”設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 產(chǎn)品設(shè)計(jì)前，設(shè)計(jì)師根據(jù)設(shè)備預(yù)期的環(huán)境條件及其“三防”等級(jí)，提出需解決的關(guān)鍵性課題，使“三防”貫徹到產(chǎn)品設(shè)計(jì)之中，其中包括：l正確選用材料，包括金屬材料、非金屬材料；l合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和可行的加工工藝；l合理選擇金屬鍍層和化學(xué)覆蓋層；l選用有效合理的防護(hù)體系。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容 （一）材料選擇 就三防而言，應(yīng)用材料時(shí)應(yīng)

2、掌握材料的腐蝕機(jī)理、破壞形式及其相容性，避免某些危險(xiǎn)性大的腐蝕形式，防止不同材料彼此相互作用而引起腐蝕和老化等。 金屬材料腐蝕 破壞的主要形式電偶腐蝕隙縫腐蝕晶間腐蝕腐蝕磨損應(yīng)力腐蝕電子設(shè)備中以電偶腐蝕電偶腐蝕最為普遍和突出。 根據(jù)材料的相容性，合理選用不同類(lèi)型的金屬和鍍層是極為重要的。設(shè)計(jì)時(shí)必須綜合材料的電氣、力學(xué)、物理、化學(xué)以及加工性能等特性而優(yōu)選耐蝕性好的金屬材料和不長(zhǎng)霉、耐老化的非金屬材料。l耐腐蝕性能好的金屬材料：金、鉻、鎳、鈦及鈦合金、鋁合金、銅合金和不銹鋼等。l不長(zhǎng)霉、耐老化的非金屬材料：聚四氟乙烯、聚碳酸酯、改性聚苯乙烯、有機(jī)玻璃和硅橡膠等。 考慮到經(jīng)濟(jì)因素，通常選鋁合金、銅合

3、金、不銹鋼和優(yōu)質(zhì)碳素鋼等再鍍覆金屬層和涂覆非金屬層聯(lián)合保護(hù)。通常我們優(yōu)先選擇經(jīng)認(rèn)證或多年實(shí)踐證明是可靠的金屬材料和非金屬材料。對(duì)選用的新材料，特別注意考慮其可靠性、工藝穩(wěn)定性、供應(yīng)的可能性。 （二）合理的結(jié)構(gòu)形式和表面鍍涂層設(shè)計(jì) 在電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)是否合理，對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力的影響最大，也是最主要的。因?yàn)榇蠖鄶?shù)的腐蝕問(wèn)題都能通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)避免。設(shè)備尤其是艙室外設(shè)備應(yīng)盡量避免易積存腐蝕介質(zhì)、雨水或冷凝水的結(jié)構(gòu)，采用各種行之有效的設(shè)計(jì)措施，進(jìn)行排水、排液通風(fēng)。如焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)采用連續(xù)焊縫設(shè)計(jì)，盡可能消除縫隙和凹坑結(jié)構(gòu)，防止積水、灰塵和鹽霧。結(jié)構(gòu)表面形狀應(yīng)簡(jiǎn)單，過(guò)渡光滑合理，應(yīng)避免結(jié)構(gòu)過(guò)分復(fù)

4、雜，隨意組合的表面形式會(huì)使防腐蝕復(fù)雜化。伺服轉(zhuǎn)臺(tái)、天線(xiàn)罩等大容積的設(shè)備應(yīng)避免氣密式設(shè)計(jì)，因?yàn)闅饷茉O(shè)計(jì)一旦失效，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間，內(nèi)部產(chǎn)生積水，形成100%的蒸汽壓，電子設(shè)備易受潮失效?？蛇x用專(zhuān)業(yè)廠商的防水透氣閥來(lái)完成設(shè)備的防水透氣設(shè)計(jì)，從而避免氣密式設(shè)計(jì)。不同金屬連接的組裝件，要避免電偶腐蝕，以免加速基體金屬的腐蝕，型（暴露）表面的兩種金屬電極電位差值應(yīng)控制在0.25V以?xún)?nèi)，型（遮蔽）表面的兩種金屬電極電位差值應(yīng)控制在0.5V以?xún)?nèi)。盡量避免采用電焊、鉚接、螺紋緊固等結(jié)構(gòu)形式，而優(yōu)選鈑金結(jié)構(gòu)或整體澆鑄的結(jié)構(gòu)形式，一面形成隙縫腐蝕，同時(shí)可在能形成縫隙腐蝕處加密封涂覆或加密封襯墊。易腐蝕部位結(jié)構(gòu)斷面厚

5、度應(yīng)盡量相近，因?yàn)閿嗝婧穸炔灰恢聲r(shí)，一旦溫度發(fā)生變化或在機(jī)械電氣負(fù)載作用下薄弱部位發(fā)生形變，材料晶格會(huì)扭曲而產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，嚴(yán)重時(shí)能引起電參數(shù)的變化。最容易發(fā)生腐蝕的零件可采用“棄件”可靠性設(shè)計(jì)方法，從結(jié)構(gòu)上保證易于維修和更換。也可采用“腐蝕裕度”的設(shè)計(jì)思想，加厚腐蝕部位，“腐蝕裕度”一般取預(yù)期壽命的兩倍。鑄鋁零件重點(diǎn)在于涂覆防護(hù)。其外表面的涂層體系設(shè)計(jì)為：噴砂導(dǎo)電氧化噴涂麥道底漆12道噴涂丙烯酸聚氨酯面漆12道。涂層厚度艙室內(nèi)設(shè)備大于60m，艙室外設(shè)備大于120m。零件內(nèi)壁除螺紋和有接地要求的部位外，噴涂聚氨酯漆。除螺紋外鋼件的鍍鋅層厚度大于等于30m，并進(jìn)行鈍化處理。結(jié)構(gòu)上避免2個(gè)零件進(jìn)行焊

6、接后再作電鍍處理。零部件表面應(yīng)明確規(guī)定粗糙度要求。（三）工藝設(shè)計(jì) 工藝防護(hù)的主要手段為：鍍、涂、密封；其中鍍是基礎(chǔ)，涂于密封起增強(qiáng)作用。1.型（暴露）表面的防護(hù) 型（暴露）表面是指當(dāng)設(shè)備處于工作或行進(jìn)狀態(tài)時(shí)暴露于自然環(huán)境的表面，或雖然未暴露于自然環(huán)境，但能夠收到各種氣候因素（溫度、雨、冰雹、雪、雨雪、含鹽大氣、工業(yè)大氣、陽(yáng)光直接照射、塵埃、風(fēng)沙等）直接作用的表面。工作環(huán)境比較惡劣，因此，必須選擇好的涂覆系統(tǒng)。l鋼鐵件 采用熱浸鍍鋅或采用噴砂熱浸鍍鋅磷化底漆 鍶黃底漆聚氨酯面漆的工藝過(guò)程；l鋁合金件 采用陽(yáng)極氧化聚氨酯清漆或采用導(dǎo)電氧化處理 鍶黃底漆面漆的工藝過(guò)程；l鑄件（鑄鐵或鑄鋁）采用噴砂磷

7、化底漆鐵紅底漆（鋅黃 底漆） 面漆的工藝過(guò)程。2.型（遮蔽）表面的防護(hù) 型（遮蔽）表面是指設(shè)備工作時(shí)不暴露于自然環(huán)境，且不會(huì)受到各種氣候因素直接作用的表面，型表面的暴露條件與室內(nèi)環(huán)境相當(dāng)。l鋼鐵件 采用鍍鋅彩鈍化鋅黃底漆面漆或采用磷化處理鐵 紅底漆面漆的工藝過(guò)程；l鋁合金件 采用導(dǎo)電氧化鋅黃底漆面漆或采用陽(yáng)極氧化S01-3 聚氨酯清漆的工藝過(guò)程。3.防潮設(shè)計(jì) 防潮設(shè)計(jì)的基本方法是對(duì)材料表面進(jìn)行防潮處理，對(duì)元器件乃至整件進(jìn)行密封、灌封、氣體填充或液體填充；暴露的接觸面應(yīng)避免不同金屬的接觸，尤其要避免活潑金屬和穩(wěn)定金屬的接觸?？梢圆捎脝雾?xiàng)或幾項(xiàng)綜合措施來(lái)防止?jié)駳獾挠绊憽?設(shè)計(jì)方法包括：l采用具有防

8、水、防霉、防銹蝕的材料；l提供排水疏流系統(tǒng)或空氣循環(huán)系統(tǒng)，消除濕氣聚集物；l采用干燥裝置吸收濕氣；l采用保護(hù)涂層以防銹蝕；l憎水處理以降低產(chǎn)品的吸水性或改變其親水性能；l浸漬、灌注和灌封，塑料封裝和密封等。4.防鹽霧設(shè)計(jì) 防鹽霧設(shè)計(jì)的基本原則是：l采用密封結(jié)構(gòu)；l選用耐鹽霧材料（不銹鋼或以塑料代替金屬）；l元件部件采用相應(yīng)的防護(hù)措施，涂覆防鹽霧涂層；l不同金屬間接觸要防接觸腐蝕。5.防霉菌設(shè)計(jì) 克服霉菌危害的主要措施有以下幾個(gè)方面：l選擇不易長(zhǎng)霉和耐霉性好的材料；l將設(shè)備嚴(yán)格密封，并使其內(nèi)部空氣保持干燥（相對(duì)濕度低于 65）、清潔；l設(shè)備表面涂覆防霉劑或防霉漆；l利用紫外線(xiàn)照射防霉并消滅已生長(zhǎng)

9、的霉菌；l在密封設(shè)備中充以高濃度的臭氧來(lái)消滅霉菌。 三防設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)工程，它涉及到許多方面，需要多方面人員的配合，為滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)要求，保證產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，就要綜合考慮各種因素，了解產(chǎn)品所處的工作環(huán)境，選擇合適的材料并采取相應(yīng)的防護(hù)措施，是提高電子設(shè)備的可靠性和環(huán)境適應(yīng)能力的重要內(nèi)容。電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)一、目的：一、目的： 熱設(shè)計(jì)的目的是控制電子設(shè)備內(nèi)部所有電子元器件的溫度，使其在設(shè)備所處的工作環(huán)境條件下不超過(guò)規(guī)定的最高允許溫度。最高允許溫度的計(jì)算應(yīng)以元器件的應(yīng)力分析為基礎(chǔ)，并且與設(shè)備可靠性的要求以及分配給每一個(gè)元器件的失效率相一致。二、面臨二、面臨基本問(wèn)題基本問(wèn)題： 電子設(shè)備的有效輸出功率

10、比所需的輸入功率小得多，而這部分多余的功率則轉(zhuǎn)化為熱而耗散掉。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子元器件和設(shè)備日趨小型化，使得設(shè)備的體積功率密度大大增加。因此，對(duì)電子設(shè)備必須配置冷卻系統(tǒng)（包括自然冷卻），在熱源至熱沉（外部環(huán)境）之間提供一條低熱阻通路，保證熱量順利傳遞出去。三、冷卻方法的分類(lèi)三、冷卻方法的分類(lèi)1.按冷卻劑與被冷卻元器件（或設(shè)備）之間的配置關(guān)系，可分為下列兩類(lèi)：直接冷卻直接冷卻和間接冷卻間接冷卻。2.按傳熱機(jī)理，可分為下列幾類(lèi)：l自然冷卻（包括導(dǎo)熱、自然對(duì)流和輻射換熱的單獨(dú) 作用或兩種以上換熱形式的組合）；l強(qiáng)迫冷卻（包括強(qiáng)迫風(fēng)冷和強(qiáng)迫液體冷卻等）；l蒸發(fā)冷卻；l熱電冷卻；l熱管冷卻；l其它

11、冷卻方法。四、冷卻方法的選擇四、冷卻方法的選擇1.溫升為40時(shí)，各種冷卻方法的熱流密度和體積功率密度值如圖4-1所示。2.冷卻方法可以根據(jù)熱流密度與溫升要求，按圖4-2所示關(guān)系進(jìn)行選擇，這種方法適用于溫升要求不同的各類(lèi)設(shè)備的冷卻。3.設(shè)備內(nèi)部的散熱方法應(yīng)使發(fā)熱元器件與被冷卻表面或散熱器之間有一條低熱阻的傳熱路徑。冷卻方法應(yīng)簡(jiǎn)單、冷卻設(shè)備重量要輕、可靠性與維修性好、成本低。4.利用金屬導(dǎo)熱是最基本的傳熱方法，其熱路容易控制。而輻射換熱則需要比較高的溫差，切傳熱路徑不易控制。對(duì)流換熱需要較大的面積。在安裝密度較高的設(shè)備內(nèi)部難以滿(mǎn)足需求。5.大多數(shù)小型電子元器件最好采用自然冷卻方法。自然對(duì)流冷卻表面

12、的最大熱流密度為0.039W/cm2。有些高溫元器件的熱流密度可高達(dá)0.078W/cm2 （見(jiàn)圖4-3）。6.強(qiáng)迫空氣冷卻是一種較好的冷卻方法。若電子元器件之間的空間有利于空氣流動(dòng)或可以安裝散熱器時(shí)，就可以采用強(qiáng)迫空氣冷卻，迫使冷卻空氣流過(guò)發(fā)熱元器件。7.直接液體冷卻適用于體積功耗密度很高的元器件或設(shè)備。也適用于那些必須在高溫環(huán)境條件下工作、且元器件與被冷卻表面之間的溫度梯度又很小的部件。8.直接沸騰冷卻適用于體積功率密度很高的設(shè)備和元器件，其熱阻值為每平方厘米0.006/W。9.熱電致冷是一種產(chǎn)生負(fù)熱阻的致冷技術(shù)。其優(yōu)點(diǎn)是不需要外界動(dòng)力、且可靠性高，其缺點(diǎn)是重量大、效率低。10.熱管是一種傳

13、熱效率很高的傳熱器件，其傳熱性能比相同的金屬的導(dǎo)熱要高幾十倍，且兩端的溫差很小。應(yīng)用熱管傳熱時(shí)，主要問(wèn)題是如何減小熱管兩端接觸面界面上的熱阻。五、冷卻設(shè)計(jì)五、冷卻設(shè)計(jì) （主要介紹自然冷卻和強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)）（主要介紹自然冷卻和強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)）（一）自然冷卻設(shè)計(jì) 電子設(shè)備自然冷卻設(shè)計(jì)是不使用外部動(dòng)力（如風(fēng)機(jī)、泵和壓縮空氣等）情況下的傳熱方法。它包括導(dǎo)熱、輻射換熱和自然對(duì)流換熱等。 自然冷卻適用于小型、安裝密度較高的電子設(shè)備內(nèi)部的冷卻。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)單、不需外界動(dòng)力和可靠性高。其主要傳熱方式應(yīng)采用金屬導(dǎo)熱，同時(shí)避免采用輻射作為傳熱方式。l 機(jī)載電子設(shè)備要承受各種環(huán)境條件：由地面或艙板上的熱

14、帶高溫及沙漠環(huán)境到10km或更高高空的低溫、低氣壓環(huán)境。高速飛行的飛機(jī)蒙皮還要承受沖壓空氣的高溫作用。l 自然冷卻方法一般僅適用于設(shè)備內(nèi)部，且有效性?xún)H限于體積功率密度較低的環(huán)境。l 機(jī)載電子設(shè)備要注意地面冷卻實(shí)驗(yàn)，地面試驗(yàn)的環(huán)境應(yīng)模擬機(jī)上環(huán)境。l 機(jī)載電子設(shè)備安裝密集，而且結(jié)構(gòu)支撐很少，由于要求重量輕，限制了把結(jié)構(gòu)支承件作為導(dǎo)熱構(gòu)件的價(jià)值。故而機(jī)載設(shè)備采用熱管傳熱非常有利，但也須考慮飛機(jī)在傾斜飛行和重力發(fā)生變化時(shí)，對(duì)熱管傳熱性能的影響問(wèn)題。l 對(duì)大多數(shù)機(jī)載電子設(shè)備而言，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)點(diǎn)實(shí)在飛機(jī)的最大馬赫數(shù)（最高沖壓空氣溫度和蒙皮溫度）和最高高度（空氣密度最低）處。l 機(jī)載電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)除了應(yīng)

15、滿(mǎn)足飛行要求外，還應(yīng)采取措施使電子設(shè)備在地面工作時(shí)也能得到冷卻。機(jī)載電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)機(jī)載電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)l 用自然冷卻的電子設(shè)備外殼可以作為氣流通道，并且可以用于各種目的的保護(hù)和隔離。其中機(jī)殼是接收設(shè)備內(nèi)部熱量，并將其散發(fā)到周?chē)h(huán)境中去的一個(gè)重要組成部分。機(jī)殼結(jié)構(gòu)對(duì)電子設(shè)備的自然冷卻顯得格外重要。l 機(jī)柜要設(shè)計(jì)成機(jī)柜底部進(jìn)冷卻空氣，從定不排除熱空氣的自然冷卻結(jié)構(gòu)。l 機(jī)殼的最大熱流密度不得超過(guò)0.039W/cm2。機(jī)柜表面溫度不得高于周?chē)h(huán)境溫度（機(jī)房）10。l 鋁材鉚接界面處的熱阻與金屬厚度和鉚釘面積有關(guān)，其熱阻值為6.4525.8cm2/W。金屬厚度以0.250.5cm為宜。電子設(shè)備機(jī)會(huì)和外殼

16、的熱設(shè)計(jì)電子設(shè)備機(jī)會(huì)和外殼的熱設(shè)計(jì)l 機(jī)殼開(kāi)孔的大小與冷卻空氣進(jìn)、出流速相適應(yīng)，并且壓降應(yīng)小于熱空氣的浮升壓力。l 通風(fēng)孔的布置原則應(yīng)使進(jìn)、出風(fēng)孔盡量遠(yuǎn)離，進(jìn)風(fēng)孔應(yīng)開(kāi)在機(jī)箱的下端接近底板處，出風(fēng)孔則應(yīng)開(kāi)在機(jī)箱側(cè)上端接近頂板處。通風(fēng)孔的形狀、大小可根據(jù)設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)所、電磁兼容性及可靠性要求進(jìn)行選擇、布置。l 機(jī)箱機(jī)殼內(nèi)、外表面突起、在靠近發(fā)熱原件的機(jī)殼頂部底部或兩側(cè)開(kāi)通風(fēng)孔等，均能降低內(nèi)部電子元器件的溫度。 當(dāng)電子設(shè)備的熱流密度超過(guò)0.08W/cm2，體積功率密度超過(guò)0.18W/cm2時(shí)，單靠自然冷卻不能完全解決它的冷卻問(wèn)題，需要外加動(dòng)力進(jìn)行強(qiáng)迫空氣冷卻或強(qiáng)迫液體冷卻及其它冷卻方法。 強(qiáng)迫空氣冷卻

17、是利用通風(fēng)機(jī)或沖壓空氣使冷卻空氣流經(jīng)電子設(shè)備（或電子元器件）將熱量從熱源傳至熱沉。 電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是使熱源的工作溫度控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，以及盡可能地減少冷卻系統(tǒng)輸送空氣所需的冷卻功率。同時(shí)也應(yīng)盡量減少冷卻系統(tǒng)的體積、重量、成本及降低噪聲等。（二）強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)強(qiáng)迫空氣冷卻設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問(wèn)題：l減少艦船和地面設(shè)備的氣流噪聲；l保護(hù)易壞的散熱片；l設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使自然對(duì)流有助于強(qiáng)迫對(duì)流；l確保所有熱源都具有所需的風(fēng)量；l確保氣流通道暢通無(wú)阻，且大小適當(dāng)；l確保進(jìn)氣口與排氣口遠(yuǎn)離；l換熱器和空氣過(guò)濾器裝配要適當(dāng)，便于維修；l要避免重復(fù)使用冷卻空氣。強(qiáng)迫空氣冷卻的機(jī)箱和機(jī)柜設(shè)計(jì)強(qiáng)迫空氣冷卻的機(jī)箱和機(jī)柜設(shè)計(jì)1.強(qiáng)迫空氣冷卻的非密封式或敞開(kāi)式機(jī)箱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足下列要求：l進(jìn)氣孔應(yīng)設(shè)置在機(jī)箱下側(cè)或底部，但不要過(guò)低，以免污物和水進(jìn)入安裝在地面的機(jī)柜內(nèi)。緊靠的系列機(jī)