《電子產(chǎn)品可制造性設(shè)計(jì)》課件-第五章

1.整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：電子產(chǎn)品中由工程材料按合理的方式進(jìn)行連接，能夠安裝電子元器件及機(jī)械零部件，是產(chǎn)品稱為一個(gè)整體的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容整機(jī)布線設(shè)計(jì)典型機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體方案設(shè)計(jì)整機(jī)防護(hù)設(shè)計(jì)機(jī)電連接設(shè)計(jì)分機(jī)或單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則050403020106保證產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)保證產(chǎn)品可靠性指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)保證產(chǎn)品使用要求的實(shí)現(xiàn)保證產(chǎn)品具有良好的工藝性通用化、系列化、模塊化采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)順序整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝要求01020304機(jī)電連接接口設(shè)計(jì)要求組裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求整機(jī)尺寸設(shè)計(jì)要求整機(jī)布局設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝要求2.1電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品熱沒計(jì)：是利用熱的傳遞條件，通過冷卻措施控制電子產(chǎn)品內(nèi)部所有元器件的溫度，使其在產(chǎn)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(shè)計(jì)。電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)的目的電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)的主要目的就是通過合理的散熱設(shè)計(jì)。降低產(chǎn)品的工作溫度，控制電子產(chǎn)品內(nèi)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(dǎo)致故障，從而提高產(chǎn)品的可靠性。電子產(chǎn)品散熱系統(tǒng)熱傳遞的三種基本方式是傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射，對(duì)應(yīng)的散熱萬式為：傳導(dǎo)散熱、對(duì)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(qiáng)迫風(fēng)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(chǎn)品熱設(shè)計(jì)原則根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，熱設(shè)計(jì)一般應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)原則：①熱流密度與體積功率密度超超過一定范圍，應(yīng)采用強(qiáng)迫冷卻方法。②有利于空氣流動(dòng)或可以安裝散熱器，采用強(qiáng)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(shè)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(yīng)超過43°C。⑤熱設(shè)計(jì)應(yīng)與電氣設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)等同時(shí)進(jìn)行，折中考慮。⑥應(yīng)最大限度利用傳導(dǎo)、輻射、對(duì)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(duì)敏感元器件進(jìn)行溫度監(jiān)控裝置，以保護(hù)設(shè)備安全。自然冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.設(shè)計(jì)要求①盡可能縮短傳熱路徑，增大換熱或?qū)崦娣e。②盡可能將組件內(nèi)產(chǎn)生的熱量通過組件機(jī)箱或安裝架散出去。③盡量采用散熱熱阻小的導(dǎo)軌，增人機(jī)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(yīng)能保證能最大限度利用對(duì)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(duì)靠近熱源的熱敏感元器件應(yīng)采用熱隔離措施。⑦對(duì)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(shè)計(jì)2.設(shè)計(jì)方法①機(jī)殼散熱

在機(jī)殼表面涂覆散熱性能好的涂料；外殼開設(shè)通風(fēng)口。②變壓器散熱設(shè)計(jì)

固定平臺(tái)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(duì)流。③真空元器件設(shè)計(jì)

相對(duì)位置不宜過近、不宜過于靠近機(jī)殼側(cè)壁，其他元器件不可太近。強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.設(shè)計(jì)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(jìn)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(dǎo)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(duì)冷空氣的傳送阻力。強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.設(shè)計(jì)方法①通風(fēng)管設(shè)計(jì)

通風(fēng)道盡量短；盡量使用直管；合理選擇管道截面積。②通風(fēng)口設(shè)計(jì)

有利于形成熱對(duì)流；出風(fēng)口遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口；進(jìn)風(fēng)口低出風(fēng)口高。③通風(fēng)機(jī)選用

應(yīng)根據(jù)散熱需求，合理選擇風(fēng)機(jī)類型。

液冷式冷板散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)要求①優(yōu)選水作為冷卻劑。②確保冷卻劑不會(huì)在最高的工作溫度下沸騰，不會(huì)在最低溫度下結(jié)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(shè)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(shè)計(jì)半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)建立在帕爾貼效應(yīng)基礎(chǔ)上的一種制冷方法。利用這一原理可對(duì)大型CPU進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)。2.熱管制冷系統(tǒng)

熱管一般由管殼、吸液芯和端蓋構(gòu)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(chǎn)品抗振緩沖設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品的振動(dòng)沖擊動(dòng)力產(chǎn)生的機(jī)械力對(duì)電子產(chǎn)品的影響，主要表現(xiàn)為振動(dòng)、沖擊、碰撞、慣性和離心力等。電子產(chǎn)品的抗振/緩沖設(shè)計(jì)主要針對(duì)的是機(jī)械力。振動(dòng)沖擊影響1、

振動(dòng)的影響電子設(shè)備在振動(dòng)環(huán)境下，可能出現(xiàn)疲勞效應(yīng)，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(shè)備的強(qiáng)度極限將使設(shè)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(dòng)作、信號(hào)中斷或電氣線路斷路等故障。

加固設(shè)計(jì)1、結(jié)構(gòu)的剛性化設(shè)計(jì)對(duì)構(gòu)件截面形狀尺寸進(jìn)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(jié)構(gòu)。2、連接強(qiáng)度設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)備實(shí)際需求確定螺釘規(guī)格、數(shù)量，以及位置的合理設(shè)計(jì)；使用螺紋緊固劑、放松墊圈等提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。3、分機(jī)加固設(shè)計(jì)采用剛性較好的金屬材料；采用設(shè)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(shè)計(jì)成封閉結(jié)構(gòu)；分機(jī)加固設(shè)計(jì)應(yīng)遵循層次結(jié)構(gòu)和二倍率規(guī)則。加固設(shè)計(jì)4、導(dǎo)線及導(dǎo)線束的加固整機(jī)或機(jī)箱內(nèi)部的導(dǎo)線束主干，應(yīng)使用固定夾固定；無法使用固定夾固定時(shí)，應(yīng)根據(jù)走線路徑與相應(yīng)位置設(shè)計(jì)綁扎孔，綁扎固定；整機(jī)或機(jī)箱內(nèi)的細(xì)線束或單根導(dǎo)線可以采用粘固方式進(jìn)行固定。5、印制板組裝件的粘固對(duì)粘固強(qiáng)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(yīng)合理選擇粘固位置；有抗震、絕緣和密封要求的應(yīng)用場(chǎng)合可使用整板灌封。減振緩沖設(shè)計(jì)1、阻尼材料選用

機(jī)箱及零部件設(shè)計(jì)選用高阻尼結(jié)構(gòu)材料；在設(shè)計(jì)底座、機(jī)箱這類質(zhì)量較大的零件時(shí)，優(yōu)選高阻尼的結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)橡膠減振器；金屬?gòu)椈蓽p振器；彈簧橡膠復(fù)合減振器。2.3電子產(chǎn)品電磁兼容性設(shè)計(jì)電磁干擾電磁干擾（ElectromagneticInterference,EMI）是一種電子噪音，干擾正常信號(hào)，破壞信號(hào)完整性，將引起裝置、設(shè)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(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能夠正常運(yùn)行，并不對(duì)其環(huán)境中的其他設(shè)備產(chǎn)生無法忍受的電磁干擾的能力。電磁干擾抑制技術(shù)電磁干擾三要素：電磁干擾源、耦合路徑、電磁敏感設(shè)備。電磁干擾抑制技術(shù)：抑制干擾源、切斷傳播路徑、降低設(shè)備敏感度。電磁兼容性設(shè)計(jì)原則1、系統(tǒng)設(shè)計(jì)明確產(chǎn)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(shù)；電路也應(yīng)作為電磁兼容設(shè)計(jì)的一部分。2、減小內(nèi)部干擾敏感電路盡可能設(shè)計(jì)成在低增益和大集電極電流模式下工作；避免使用電壓調(diào)整要求高的電路；盡量使用數(shù)字電路。3、抑制干擾源盡量選用頻率低的微控制器；傳輸?shù)碗娖叫盘?hào)的變壓器盡量采用環(huán)形磁路和對(duì)稱繞組。4、增強(qiáng)屏蔽效果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)盡量選用導(dǎo)電性能優(yōu)良的金屬材料；保證屏蔽體的厚度；減少機(jī)械孔洞。接地設(shè)計(jì)接地是指系統(tǒng)或產(chǎn)品的某個(gè)選定與接地面之間建立導(dǎo)電的通路。1.一般要求①接地面應(yīng)是零電位的；各接地點(diǎn)間不應(yīng)有電位差。

②理想接地面不形成地電流環(huán)路；應(yīng)能吸收所有信號(hào)。

③接地面應(yīng)采用低阻抗材料制成；安裝固定式產(chǎn)品的接地面，優(yōu)選整塊銅板或銅網(wǎng)。接地設(shè)計(jì)2、設(shè)計(jì)要求①產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)應(yīng)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(shè)備到接地線的通路應(yīng)是連續(xù)的和永久性的，應(yīng)有足夠的載流能力。③應(yīng)有足夠低的阻抗，以限制對(duì)地電位。④可能出現(xiàn)較大突變電流的電路要有單獨(dú)的接地系統(tǒng)或單獨(dú)的接地回路。⑤所有產(chǎn)生電磁能的部件應(yīng)該設(shè)有從設(shè)備外殼到結(jié)構(gòu)的低阻抗連續(xù)通路。⑥電源地線和信號(hào)地線在整個(gè)地板上應(yīng)該分別敷設(shè)。⑦一切屏蔽線兩端應(yīng)該與地有良好的接觸。⑧接地線應(yīng)盡可能短、粗、直、且接地。屏蔽設(shè)計(jì)屏蔽主要是采用導(dǎo)電或?qū)Т挪牧现瞥傻暮?、殼、板等多種介質(zhì)，來限制電磁場(chǎng)的作用，大大減少電磁場(chǎng)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(shè)計(jì)1、電屏蔽設(shè)計(jì)要求①保證屏蔽體接地效果②科學(xué)選擇接地點(diǎn)③合理選擇屏蔽體材料④合理設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)2、磁屏蔽設(shè)計(jì)要求①優(yōu)選高磁導(dǎo)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(jìn)行磁屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)，必須注意所用的磁鐵材料特性。屏蔽設(shè)計(jì)3、電磁屏蔽設(shè)計(jì)要求①電磁屏蔽的殼體應(yīng)采用高電導(dǎo)率材料。②一般要求對(duì)電磁屏蔽體進(jìn)行接地處理。③金屬殼體材料的厚度需充分滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和工藝要求。④金屬殼體要盡量保持封閉狀態(tài)；應(yīng)盡量減少孔縫的數(shù)量，還應(yīng)對(duì)多余孔縫采取有效的防護(hù)措施。濾波設(shè)計(jì)濾波是壓縮信號(hào)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(shè)計(jì)濾波設(shè)計(jì)要求：①優(yōu)先采用接地和屏蔽措施解決電磁干擾，必要時(shí)再采用濾波技術(shù)，優(yōu)選簡(jiǎn)單的濾波器而不采用線路復(fù)雜的濾波器。②在產(chǎn)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(jìn)入本振屏蔽區(qū)內(nèi)的電源線均應(yīng)濾波。③安裝時(shí)濾波器應(yīng)盡量靠近被濾波的設(shè)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(yīng)隔離。⑤每個(gè)元器件的電源端、地端之間應(yīng)就近加裝0.05～0.18μF的濾波電容。

布線設(shè)計(jì)連接導(dǎo)線是引起電磁干擾的重要因素，滿足電磁兼容設(shè)計(jì)要求：

①應(yīng)采用控制導(dǎo)線間距的辦法減少導(dǎo)線之間的耦合。②低電平信號(hào)通路不應(yīng)靠近高電平信號(hào)通路貨未濾波的電源導(dǎo)線；強(qiáng)信號(hào)和弱信號(hào)的地線要單獨(dú)安排，分別與地網(wǎng)單點(diǎn)相連；連接線布線設(shè)計(jì)要注意強(qiáng)弱信號(hào)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(yīng)盡量靠近地線平行布設(shè)，應(yīng)盡可能縮短各種引線；將進(jìn)入接收機(jī)的引線減至最小限度。④應(yīng)盡量減小饋線回路的面積；對(duì)電磁干擾敏感的部件需要加屏蔽，使之與能產(chǎn)生電磁干擾的部件或者線路相隔離。電路干抗擾設(shè)計(jì)電路本身的設(shè)計(jì)也是提高電子產(chǎn)品或系統(tǒng)抗干擾的重要措施。要求如下：1、降噪設(shè)計(jì)①元器件選用，能用低速芯片就不用高速；每個(gè)集成電路加一個(gè)去耦電容，每個(gè)電解電容邊上都要加一個(gè)小的高頻旁路電容。②時(shí)鐘選用，優(yōu)選滿足系統(tǒng)要求的最低頻率時(shí)鐘；時(shí)鐘靠近被使用元器件。③I/O驅(qū)動(dòng)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(guān)特性分區(qū)。④單面板和雙面板用單點(diǎn)接電源線和單點(diǎn)接地線，電源線、地線應(yīng)盡量粗。⑤印制電路板盡量使用45°折線；對(duì)噪聲敏感的線不應(yīng)與大電流、高速開關(guān)線平行；任何信號(hào)線都盡量不形成環(huán)路。電路干抗擾設(shè)計(jì)2、隔離設(shè)計(jì)①對(duì)數(shù)字電路和模擬電路、強(qiáng)信號(hào)和弱信號(hào)等不同類型的電路進(jìn)行屏蔽隔離。②對(duì)高壓電源設(shè)備要進(jìn)行充分的屏蔽。③在靈敏度較高的低電平電路中，對(duì)每個(gè)電路都應(yīng)有各自隔離和屏蔽良好的接地線。④振蕩器應(yīng)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(dú)的盒子分隔。⑥脈沖網(wǎng)絡(luò)和變壓器應(yīng)進(jìn)行隔離。⑦電路板上最敏感的網(wǎng)絡(luò)與高電平網(wǎng)絡(luò)或產(chǎn)生瞬態(tài)干擾的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行物理分隔。⑧盡量采用模塊結(jié)構(gòu)，以限制干擾在設(shè)備及分系統(tǒng)內(nèi)部的傳播。2.4電子產(chǎn)品“三防“設(shè)計(jì)“三防”技術(shù)環(huán)境中的潮濕、鹽霧、霉菌等可能造成電子產(chǎn)品材料腐蝕、性能劣化、電氣性能下降，最終影響產(chǎn)品可靠性。對(duì)電子產(chǎn)品“三防”技術(shù)主要是針對(duì)環(huán)境條件中潮濕、霉菌、鹽霧的防護(hù)?！叭馈痹O(shè)計(jì)內(nèi)容01020304材料“三防”設(shè)計(jì)電路板組件“三防”設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)“三防”設(shè)計(jì)工藝“三防”設(shè)計(jì)標(biāo)題文字添加此處防潮設(shè)計(jì)①通過工藝處理，降低產(chǎn)品的吸水性，提高產(chǎn)品的憎水能力。②對(duì)元器件或模塊進(jìn)行