《電子產品可制造性設計》課件-第五章

1.整機結構設計整機結構設計概念整機結構設計：電子產品中由工程材料按合理的方式進行連接，能夠安裝電子元器件及機械零部件，是產品稱為一個整體的基礎結構。整機結構設計內容整機布線設計典型機械結構設計總體方案設計整機防護設計機電連接設計分機或單元結構設計整機結構設計原則050403020106保證產品技術指標的實現(xiàn)保證產品可靠性指標的實現(xiàn)保證產品使用要求的實現(xiàn)保證產品具有良好的工藝性通用化、系列化、模塊化采用先進的設計技術整機結構設計順序整機結構設計工藝要求01020304機電連接接口設計要求組裝結構設計要求整機尺寸設計要求整機布局設計要求結構設計工藝要求2.1電子產品熱設計電子產品熱設計電子產品熱沒計：是利用熱的傳遞條件，通過冷卻措施控制電子產品內部所有元器件的溫度，使其在產品所在的工作條件下，以不超過規(guī)定的最高溫度穩(wěn)定工作的設計。電子產品熱設計的目的電子產品熱設計的主要目的就是通過合理的散熱設計。降低產品的工作溫度，控制電子產品內部所有元器件的溫度，使其在所處的工作環(huán)境溫度下，以不超過規(guī)定的最高允許溫度正常工作，避免高溫導致故障，從而提高產品的可靠性。電子產品散熱系統(tǒng)熱傳遞的三種基本方式是傳導、對流和輻射，對應的散熱萬式為：傳導散熱、對流散熱和輻射散熱。典型的散熱系統(tǒng)如下：1.自然冷卻系統(tǒng)2.強迫風冷散熱系統(tǒng)3.氣冷式冷板散熱系統(tǒng)4.液冷式冷板散熱系統(tǒng)電子產品熱設計原則根據經驗，熱設計一般應遵循以下設計原則：①熱流密度與體積功率密度超超過一定范圍，應采用強迫冷卻方法。②有利于空氣流動或可以安裝散熱器，采用強迫空氣冷卻系統(tǒng)。③溫梯度及很小的部件或體積功耗密度很高的元弱件或設備，使用液冷式散熱系統(tǒng)。④一切外露部分工作在35°C以下，本身不超過60°，面板和控制器不應超過43°C。⑤熱設計應與電氣設計、結構設計、可靠性設計等同時進行，折中考慮。⑥應最大限度利用傳導、輻射、對流等基本冷卻方式，避免外加冷卻裝置。⑦必須考慮到可維修性。⑧對敏感元器件進行溫度監(jiān)控裝置，以保護設備安全。自然冷卻系統(tǒng)設計1.設計要求①盡可能縮短傳熱路徑，增大換熱或導熱面積。②盡可能將組件內產生的熱量通過組件機箱或安裝架散出去。③盡量采用散熱熱阻小的導軌，增人機箱表面的黑度，增人輻射換熱。④元器件的安裝方向和安裝方式，應能保證能最大限度利用對流方式傳遞熱量。⑤元器件的安裝方式合理，要保證元器件溫度不超過其最大工作溫度。⑥對靠近熱源的熱敏感元器件應采用熱隔離措施。⑦對功率小于100mW的中小功率集成電路及小功率晶體管，一般可不增加其他散熱措施。自然冷卻系統(tǒng)設計2.設計方法①機殼散熱

在機殼表面涂覆散熱性能好的涂料；外殼開設通風口。②變壓器散熱設計

固定平臺加工要形成良好熱接觸，或在固定面上用支架墊高形成熱對流。③真空元器件設計

相對位置不宜過近、不宜過于靠近機殼側壁，其他元器件不可太近。強迫風冷散熱系統(tǒng)設計1.設計要求①合理控制氣流方向和流量，保證所有元器件在低于額定溫度的環(huán)境下工作②按元器件發(fā)熱量進行順序排列。③發(fā)熱量大且耐溫性差的元器件，盡量暴露在冷氣流中。④變壓器、電感類元器件，通過傳導方式將熱量傳到底板上。⑤發(fā)熱量大的元器件盡量集中排布。⑥元器件的排列盡量減小對冷空氣的傳送阻力。強迫風冷散熱系統(tǒng)設計2.設計方法①通風管設計

通風道盡量短；盡量使用直管；合理選擇管道截面積。②通風口設計

有利于形成熱對流；出風口遠離進風口；進風口低出風口高。③通風機選用

應根據散熱需求，合理選擇風機類型。

液冷式冷板散熱系統(tǒng)設計設計要求①優(yōu)選水作為冷卻劑。②確保冷卻劑不會在最高的工作溫度下沸騰，不會在最低溫度下結冰。③直接液體冷卻適用于體積及功率密度很高的元器件或設備，以及必須在高溫環(huán)境條件下工作且元器件與被冷卻表面之間溫度梯度很小的部件。其他冷卻系統(tǒng)設計半導體制冷系統(tǒng)建立在帕爾貼效應基礎上的一種制冷方法。利用這一原理可對大型CPU進行散熱設計。2.熱管制冷系統(tǒng)

熱管一般由管殼、吸液芯和端蓋構成。利用蒸發(fā)制冷的原理，增大熱管兩端溫差，加快熱量的傳遞。2.2電子產品抗振緩沖設計電子產品的振動沖擊動力產生的機械力對電子產品的影響，主要表現(xiàn)為振動、沖擊、碰撞、慣性和離心力等。電子產品的抗振/緩沖設計主要針對的是機械力。振動沖擊影響1、

振動的影響電子設備在振動環(huán)境下，可能出現(xiàn)疲勞效應，電性能下降、零部件失效、疲勞損傷甚至破壞現(xiàn)象。2、

沖擊和碰撞的影響沖擊和碰撞力超過設備的強度極限將使設備受損破壞。3、慣性和離心力的影響

慣性和離心力能造成電子系統(tǒng)的誤動作、信號中斷或電氣線路斷路等故障。

加固設計1、結構的剛性化設計對構件截面形狀尺寸進行合理選擇；提高底板和骨架的剛度；盡量避免使用懸臂式結構。2、連接強度設計根據設備實際需求確定螺釘規(guī)格、數量，以及位置的合理設計；使用螺紋緊固劑、放松墊圈等提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。3、分機加固設計采用剛性較好的金屬材料；采用設置筋或肋的方式提高殼體剛度和支撐剛度；功能模塊的盒體盡量設計成封閉結構；分機加固設計應遵循層次結構和二倍率規(guī)則。加固設計4、導線及導線束的加固整機或機箱內部的導線束主干，應使用固定夾固定；無法使用固定夾固定時，應根據走線路徑與相應位置設計綁扎孔，綁扎固定；整機或機箱內的細線束或單根導線可以采用粘固方式進行固定。5、印制板組裝件的粘固對粘固強度要求較高的電子元器件及零件、部件、組件粘固使用環(huán)氧膠；使用硅橡膠粘固應合理選擇粘固位置；有抗震、絕緣和密封要求的應用場合可使用整板灌封。減振緩沖設計1、阻尼材料選用

機箱及零部件設計選用高阻尼結構材料；在設計底座、機箱這類質量較大的零件時，優(yōu)選高阻尼的結構形式（阻尼比：鑄造＞鉚接＞螺接＞焊接＞整體金屬）；黏彈性材料一般不建議直接用于阻尼件。2、減震器選用與設計橡膠減振器；金屬彈簧減振器；彈簧橡膠復合減振器。2.3電子產品電磁兼容性設計電磁干擾電磁干擾（ElectromagneticInterference,EMI）是一種電子噪音，干擾正常信號，破壞信號完整性，將引起裝置、設備、系統(tǒng)或傳播通道的性能下降或者失效。電磁兼容電磁兼容（ElectromagneticCompatibility，EMC）：設備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能夠正常運行，并不對其環(huán)境中的其他設備產生無法忍受的電磁干擾的能力。電磁干擾抑制技術電磁干擾三要素：電磁干擾源、耦合路徑、電磁敏感設備。電磁干擾抑制技術：抑制干擾源、切斷傳播路徑、降低設備敏感度。電磁兼容性設計原則1、系統(tǒng)設計明確產生電磁干擾或易受電磁干擾的部件；優(yōu)選最有效的電磁干擾控制技術；電路也應作為電磁兼容設計的一部分。2、減小內部干擾敏感電路盡可能設計成在低增益和大集電極電流模式下工作；避免使用電壓調整要求高的電路；盡量使用數字電路。3、抑制干擾源盡量選用頻率低的微控制器；傳輸低電平信號的變壓器盡量采用環(huán)形磁路和對稱繞組。4、增強屏蔽效果結構設計盡量選用導電性能優(yōu)良的金屬材料；保證屏蔽體的厚度；減少機械孔洞。接地設計接地是指系統(tǒng)或產品的某個選定與接地面之間建立導電的通路。1.一般要求①接地面應是零電位的；各接地點間不應有電位差。

②理想接地面不形成地電流環(huán)路；應能吸收所有信號。

③接地面應采用低阻抗材料制成；安裝固定式產品的接地面，優(yōu)選整塊銅板或銅網。接地設計2、設計要求①產品的設計和結構應保證所有外部零件、表面和殼體在正常工作期間始終處于接地狀態(tài)。②從設備到接地線的通路應是連續(xù)的和永久性的，應有足夠的載流能力。③應有足夠低的阻抗，以限制對地電位。④可能出現(xiàn)較大突變電流的電路要有單獨的接地系統(tǒng)或單獨的接地回路。⑤所有產生電磁能的部件應該設有從設備外殼到結構的低阻抗連續(xù)通路。⑥電源地線和信號地線在整個地板上應該分別敷設。⑦一切屏蔽線兩端應該與地有良好的接觸。⑧接地線應盡可能短、粗、直、且接地。屏蔽設計屏蔽主要是采用導電或導磁材料制成的盒、殼、板等多種介質，來限制電磁場的作用，大大減少電磁場的干擾。按照抑制功能，屏蔽可分為電屏蔽、磁屏蔽和電磁屏蔽。屏蔽設計1、電屏蔽設計要求①保證屏蔽體接地效果②科學選擇接地點③合理選擇屏蔽體材料④合理設計屏蔽體形狀⑤“孔”的屏蔽處理要求⑥“縫隙”的屏蔽處理要求屏蔽設計2、磁屏蔽設計要求①優(yōu)選高磁導率鐵磁材料②盡量采用多層屏蔽的方式③盡量減小屏蔽上接縫與空洞處的磁阻。④進行磁屏蔽設計時，必須注意所用的磁鐵材料特性。屏蔽設計3、電磁屏蔽設計要求①電磁屏蔽的殼體應采用高電導率材料。②一般要求對電磁屏蔽體進行接地處理。③金屬殼體材料的厚度需充分滿足結構的強度和工藝要求。④金屬殼體要盡量保持封閉狀態(tài)；應盡量減少孔縫的數量，還應對多余孔縫采取有效的防護措施。濾波設計濾波是壓縮信號回路中電磁干擾頻譜的一種方法，它通過濾除無用頻譜、留下有用頻譜的方式，大大降低干擾發(fā)生的概率。

濾波設計濾波設計要求：①優(yōu)先采用接地和屏蔽措施解決電磁干擾，必要時再采用濾波技術，優(yōu)選簡單的濾波器而不采用線路復雜的濾波器。②在產品電路中選用不同類型的濾波器減少不同類型的干擾，所有進入本振屏蔽區(qū)內的電源線均應濾波。③安裝時濾波器應盡量靠近被濾波的設備，盡量用短且加屏蔽的引線作為耦合媒介。④確保濾波器有良好的接地，輸入引線與輸出引線之間應隔離。⑤每個元器件的電源端、地端之間應就近加裝0.05～0.18μF的濾波電容。

布線設計連接導線是引起電磁干擾的重要因素，滿足電磁兼容設計要求：

①應采用控制導線間距的辦法減少導線之間的耦合。②低電平信號通路不應靠近高電平信號通路貨未濾波的電源導線；強信號和弱信號的地線要單獨安排，分別與地網單點相連；連接線布線設計要注意強弱信號隔離、輸入與輸出線隔離。③盡可能采用短而粗的地線或樹枝形地線；電源線應盡量靠近地線平行布設，應盡可能縮短各種引線；將進入接收機的引線減至最小限度。④應盡量減小饋線回路的面積；對電磁干擾敏感的部件需要加屏蔽，使之與能產生電磁干擾的部件或者線路相隔離。電路干抗擾設計電路本身的設計也是提高電子產品或系統(tǒng)抗干擾的重要措施。要求如下：1、降噪設計①元器件選用，能用低速芯片就不用高速；每個集成電路加一個去耦電容，每個電解電容邊上都要加一個小的高頻旁路電容。②時鐘選用，優(yōu)選滿足系統(tǒng)要求的最低頻率時鐘；時鐘靠近被使用元器件。③I/O驅動電路盡量靠近印制電路板邊緣；印制電路板按頻率和電流開關特性分區(qū)。④單面板和雙面板用單點接電源線和單點接地線，電源線、地線應盡量粗。⑤印制電路板盡量使用45°折線；對噪聲敏感的線不應與大電流、高速開關線平行；任何信號線都盡量不形成環(huán)路。電路干抗擾設計2、隔離設計①對數字電路和模擬電路、強信號和弱信號等不同類型的電路進行屏蔽隔離。②對高壓電源設備要進行充分的屏蔽。③在靈敏度較高的低電平電路中，對每個電路都應有各自隔離和屏蔽良好的接地線。④振蕩器應和其他電路及天線隔離。⑤電平特高和特低的電路要采用單獨的盒子分隔。⑥脈沖網絡和變壓器應進行隔離。⑦電路板上最敏感的網絡與高電平網絡或產生瞬態(tài)干擾的網絡進行物理分隔。⑧盡量采用模塊結構，以限制干擾在設備及分系統(tǒng)內部的傳播。2.4電子產品“三防“設計“三防”技術環(huán)境中的潮濕、鹽霧、霉菌等可能造成電子產品材料腐蝕、性能劣化、電氣性能下降，最終影響產品可靠性。對電子產品“三防”技術主要是針對環(huán)境條件中潮濕、霉菌、鹽霧的防護。“三防”設計內容01020304材料“三防”設計電路板組件“三防”設計結構“三防”設計工藝“三防”設計標題文字添加此處防潮設計①通過工藝處理，降低產品的吸水性，提高產品的憎水能力。②對元器件或模塊進行