电子产品结构设计与制造工艺

. .第一章 概述11 电子设备结构设计与制造工艺111现代电子设备的特点当前，电子技术广泛地应用于国防、国民经济各部门以与人民生活等各个领域。由于生产和科学技术的发展，新工艺和新材料应用，超小型化元器件和规模、超大规模集成电路的研制和推广，使电子设备在电路上和结构上产生巨大的变化。小型化、超小型化、微型化结构的出现，使得一些传统的设计方法逐渐被机电结合、光点结合等新技术所取代，再加上电子设备要适应更加广泛的用途和恶劣苛刻的工作环境，就使当代电子设备具有不同于过去的特点。这些特点可归纳为以下几方面：1 设备组成较复杂，组装密度大现代电子设备要求具有多种功能，设备组成较复杂，元器件、零部件数量多，且设备体积要小，组装密度大。尤其是超大规模集成电路与其衍生的各种功能模块的出现，使电子设备的组装密度较过去提高了很多。2 设备使用围广，所处的工作环境条件复杂。现代电子设备往往要在恶劣而苛刻的环境条件下工作。有时要承受高温、低温和巨大温差变化；高湿度和低气压；强烈的冲击和振动；外界的电磁干扰等。这些都会对电子设备的正常工作产生影响。3 设备可靠性要求高、寿命长现代电子设备要求具有较高的可靠性和足够的工作寿命。可靠性低的电子设备将失去使用价值。高可靠性的电子设备，不仅元器件质量要求高，在电路设计和结构设计中都要作出较大的努力。4 设备要求高精度、多功能和自动化现代电子设备往往要求高精度、多功能和自动化，有的还引入了计算机系统，因而其控制系统较为复杂。精密机械广泛地应用于电子设备是现代电子设备的一大特点。自控技术、遥控遥测技术、计算机数据处理技术和精密机械的紧密结合，有的电子设备要求有智能实现人机交流，使电子设备的精度和自动化程度达到了相当高的水平。上述电子设备的特点，只是对整体而言，具体到某种设备又各具自己的特点。由于当代电子设备具有上述特点，对电路设计和结构设计的要求更高了，设计、生产人员充分了解电子设备的特点，对于确保电子设备的性能满足使用要求十分必要的。112 电子设备的制造工艺和结构设计工艺工作是企业生产技术的中心环节，是组织生产和指导生产的一种重要手段。在产品的设计阶段，它的容是确定产品的制造方案并完善生产前的技术准备工作；在产品的生产制造阶段，它的主要容是组织指导符合设计要求的加工生产，直至出厂为止而采取的必要的技术和管理措施。工艺工作按容可分为工艺技术和工艺管理，前者是生产实践劳动技能和应用科学研究成果的积累和总结，是工艺工作的核心；后者是对工艺工作的计划、组织、协调与实施，是保证工艺技术在生产中贯彻和发展的管理科学。工艺技术的实现和发展是由科学的工艺管理工作来保证和实现的。工艺工作将各个部门、各个生产环节联系起来成为一个完整的整体。它的着眼点就是促进每项工作操作简单、流畅、高效率、低强度。设计和制造电子设备，除满足工作性能的要求外，还必须满足加工制造的要求，电路性能指标的实现，要通过具体的产品结构表达出来。电子设备是随着电子技术的发展而发展的，其结构和构成形式也随之发生变化。初期的设备较简陋，考虑的主要问题是电路设计。到二十世纪四十年代，出现了将复杂设备分为若干部件，树立起结构级别的先进想法；为防止气候影响，研制出密封外壳；为防止机械过载而研制出减振器，设备结构功能进一步完善，结构设计成为电子设备设计的容。随后，由于军用电子技术的发展和野战的需要，结构设计的容逐步丰富起来。目前，结构设计在电子设备的设计中占有较大的比重，直接关系到电子设备的性能和技术指标（条件）的实现。电子设备结构设计和生产工艺的任务就是以结构设计为手段，保证所设计的电子设备在既定的工作环境条件和使用要求下，达到技术条件所规定的各项指标，并能稳定可靠地完成预期的功能，即保证电子设备的可靠性。113电子设备结构设计与制造工艺课程容电子设备结构与工艺包含了力学、机械学、材料学、热学、电学、化学、美学、环境科学等多门基础学科的容，是一门综合性的应用型边缘学科，作为一门课程，它的容只能涉与电子设备机构与工艺的最基本容，具体包括以下容：1. 电子设备的工作环境与其对设备的要求；2. 可靠性与提高可靠性的方法；3. 电子产品常用材料的防腐蚀措施；4. 温度对电子设备的影响与散热方法；5. 减振缓冲原理与常用减振器的选用；6. 电磁干扰与其屏蔽，接地技术；7. 电子设备元器件布局与装配；8. 印制电路板的结构设计与制造工艺；9. 电子设备整机装配与调试；10. 电子产品的微型化结构与整机结构。1.2 电子设备的工作环境与其对设备的影响电子设备所处的工作环境，按其成因大体可为自然环境、工业环境和特殊使用环境。除自然环境外，工业环境和特殊使用环境一般是人为制造和改变的，故也被称为诱发环境。表1.1中列举的环境分类包含了电子设备可能遭遇的各种基本环境。环境因素造成的设备故障是严重的。国外曾对机载电子设备进行故障剖析，结果发现，50%以上的故障是由环境因素所致。而温度、湿度、振动三项环境造成的故障率则高达44%。环境因素造成的设备故障和失效可分为两类：一类是功能故障，指设备的各种功能出现不利的变化，或受环境条件的影响功能不能正常发挥，一旦外界因素消失，功能仍能恢复；另一类是永久性损坏，如机械损坏等。表1.1自然环境工业环境和特殊使用环境（诱发环境）温度雾气温度梯度加速度湿度辐射高压、低压高强度噪声大气压真空瞬态冲击电磁场降雨磁场高能冲击腐蚀性介质风沙静电场周期振动固体粉尘盐雾生物因素随机振动电子设备所处的环境虽然复杂多样，但按其对设备的影响划分，归纳起来不外乎三个方面，即气候因素影响，机械因素影响，电磁干扰（也称噪声干扰）影响。13 对电子设备的基本要求为使电子设备具有较好的使用性能与制造工艺性能，并使其在各种工作环境下能正常可靠地工作，设计和制造电子设备时应满足相应的要求。131 工作环境对电子设备的要求如前所述，工作环境包括气候环境、机械环境和电磁环境，它们影响着设备的性能与寿命，为减少和防止各种因素对设备的不良影响，使其能适应工作环境，对设备提出了以下要求：1 气候条件对电子设备的要求（1）采取散热措施，保证电子设备工作温度不会过高，元器件工作温度不超过允许温度。（2）采取防护措施，保证设备的结构件、零部件不受潮湿、盐雾、大气污染等气候因素的侵蚀。对某些电子设备或部件还应采取密封措施。2 机械条件对电子设备的要求（1）采取减振缓冲措施，保证设备的各种元器件、零部件在外界机械条件的作用下不致损坏和失效。（2）提高设备的耐振动抗冲击能力，保证其工作的可靠性。3 电磁环境对电子设备的要求（1）采取各种屏蔽措施，使电子设备在各种干扰存在的情况下，还能有效地工作，从结构上提高电子设备的电磁兼容能力。（2）通过合理的布线、线路设计和接地，从电路方面减少电磁干扰对设备的影响。132 使用方面对电子设备的要求电子设备的生产设计是基于使用的，应充分考虑使用方面对设备的要求。1 体积重量要求电子设备正在向小型化发展，体积和重量日益减小，这是电子设备得到广泛应用的原因之一。减小设备体积和重量不但有经济意义，有时甚至起决定作用。例如军用电子设备，减小其体积重量，直接影响部队的战斗力和装备使用的灵活性，同时对减小体力消耗，提高战斗力有重要作用。研究电子设备体积重量的要求，应考虑设备的用途、运载工具、机械负荷等因素。另外，对于生产批量很大的产品还要特别考虑经济因素。描述电子设备体积重量的指标主要有两个：平均比重（重量体积比）和体积填充系数。首先，紧凑性提高，受到温升限制。设备的平均比重增大，则单位体积发热量增加，为保证设备正常工作，就需要采用冷却系统，而冷却系统本身就具有一定的体积和重量，反而提高了设备的总体积和总重量。温升限制是大多数设备（尤其是大功率设备）提高紧凑性时遇到的最大困难。其次，紧凑性提高，设备稳定度下降。尤其是超高频和高压设备，分布电容广，易产生自激和脉冲波形变坏。另外，元器件之间距离小还容易产生短路和击穿。再次，紧凑性提高给生产时的装配和使用时的维护修理带来一定困难，降低设备的可靠性。最后，紧凑性高的设备，在整机结构方面要求有较高的零件加工精度和装配精度，因而提高了产品成本。2操纵维修要求电子设备的操纵性能如何，是否便于维护修理，直接影响设备的可靠性。在设备的结构设计中要全面考虑。（1）设备要操纵简单，控制结构轻便，为操纵者提供良好的工作条件。（2）设备安全可靠，有保险装置。当操纵者发生误操作时，不会损坏设备，更不能危与人身安全。（3）设备的体积填充系数在可能的情况下应取低一些（最好不超过0.3），以保证元器件间有足够的空间，便于装拆和维修。（4）有便于维修的结构。如采用插入式或折叠式的结构；快速装拆结构；可换部件式结构；可调元件、测试点布置在设备的同一面等。（5）设备应具有过负荷保护装置（如过电流、过电压保护），危险和高压处应用警告标志和自动安全保护装置（如高压自动断路门开关）等，以确保维修安全。（6）设备最好具备监测装置和故障预报装置，能使操纵者尽早发现故障或预测失效元器件，与时更换维修。133 生产方面对电子设备的要求1生产条件对电子设备的要求电子设备在研制阶段之后要投入生产。生产厂的设备情况、技术水平、工艺水平、生产能力、生产周期、生产管理水平等因素，都属于生产条件。电子设备如果要顺利地生产必须满足生产条件对它的要求，否则，就不可能生产出优质的产品，甚至根本无法生产。（1）电子设备中的零部件、元器件的品种和规格尽可能地少，技术参数、形状、尺寸应尽最大限度标准化和规格化，尽量采用生产厂以前曾经生产过的零部件或其它专业厂生产的通用零部件或产品，这样便于生产管理，有利于提高产品质量，保持产品继承性，并能降低成本。（2）设备中的机械零部件、元器件必须具有较好的结构工艺性，能够采用先进的工艺方法和流程，原材料消耗降低，加工工时短。例如，零件的结构、尺寸和形状便于实现工序自动化；以无屑加工代替切削加工；提高冲制件、压塑件的数量和比例等。（3）设备所使用的原材料，其品种规格越少越好，应尽可能地少用或不用贵重材料，立足于使用国产材料和来源多、价格低的材料。（4）设备（含零部件）的加工精度的要求要与技术要求相适应，不允许无根据地追求高精度。在满足产品性能指标的前提下，其精度等级应尽可能的低，装配也应简易化，尽量不搞选配和修配，便于自动流水生产。2经济性对电子设备的要求电子设备的经济性包括使用经济性和生产经济性两方面容。设备在使用、贮存和运输过程中所消耗的费用，称为使用经济性，其中维修费所占的比例最大，电费次之。生产经济性是指生产成本，它包括生产准备费用，原材料和辅助材费用，工资和附加费用、管理费用等。为提高产品的经济性。在设计阶段应考虑以下几个问题：（1）研究产品的技术条件，分析产品设计参数、性能和使用条件，正确制定设计方案和确定产品的复杂程度，这是产品经济性的首要环节。（2）由产量确定产品结构形式和生产类型。产量的大小决定着生产批量的规模，进而影响生产方式类型。（3）在保证产品性能的条件下，按最经济的生产方式设计零部件，在满足产品技术要求的条件下，选用最经济合理的原材料和元器件，以降低产品的成本。（4）周密设计产品的结构，使产品具有较好的操作维修性能和使用性能，降低设备的维修和使用费用。14 可制造性设计（DFM）概念1.4.1可制造性设计概念为什么现今的管理对设计师在这方面的表现特别重视呢？主要是因为设计是整个产品寿命的第一站。在效益学的观点上来说，问题越早发现就能够越早解决，其成本效益也就越高，问题对公司造成的损失也就越低。在电子生产管理上，曾有学者做出这样的预测，即在每一个主要工序上，其后工序的解决成本费用为前一道工序的10倍以上。例如设计问题如果在试制时才给予更正，其所需要将会较在设计时解决高出超过10倍，而如果这设计问题没法在试制时解决，当它流到再下一个主要工序的批量生产时，其解决费用就可能高达100倍以上。此外，对于设计造成的问题，即使公司拥有最好的设备和工艺知识，也未必能够很完善的解决。所以基于以上的原因，把设计工作做好是门很重要的管理。所谓把设计做的好，这里指的是包括产品功能、性能、可制造性和质量等各方面。当前技术的快速发展，如芯片集成、电子组装、材料、生产设备和管理技术等方面快速发展使得电路板组装密度越来越高，电子产品亦向微型化、低价格、多功能方向发展，这就导致制造对设计的依赖越来越强。不论公司从事的是什么样的产品，不论设计师面对的顾客是部或是外部顾客，对设计师的要求都可说是一致的。他们的要求都离开不三方面。即优良或至少满意的品质、相对较低的成本（或价格）、和有较短而与时的交货期。而身为一代的设计师，其职责已不是单纯的把产品的功能和性能设计出来那么简单，而是必须对以上所提到的三方面负责，并做出贡献。目前在工业界里，几乎没有人不谈品质管理的。先进管理观念强调，品质不是制造出来的，而应该是设计出来的。这观念有其重要的地方，是使用用户从以往较被动的关注点（生产线上）移到较主动的关注点（设计上）。但说法不够完善。严格和具体来说，品质既不是生产来的，也不是单靠设计来的，而应该是配合来的。好的品质是通过良好的设计（配合工艺和生产能力的设计），优良的工艺调制，和生产线上的工艺管制而获得的。而这三者又是需要有良好的品质管理理念、知识、系统和制度来确保的。在确保产品高而稳定的品质、高生产效率和低生产成本、以与准确的交货时间，我们的生产线必须要有一套所谓的坚固工艺（Robust Process）。而坚固工艺是必须通过设计、工艺能力、各设备性能之间的完好配合才能实现的。所谓坚固工艺，是指其对外界各种影响它表现的因素的灵敏度很低。也就是说，对这些因素的大变化，其整体效果还是稳定不变或只限于合格围的变动。坚固的工艺是相对的，所以一套设计规也是有其针对性的。它在某一生产环境下（设备、管理、材料、工艺能力、品质标准）也许是坚固的，但在另一个环境下却可能变得不坚固。因此，设计的好与不好，也是有它的特定性。用户必须了解和牢记这一点。1.4.2 DFM涉与的容DFM涉与的容有以下一些方面，l 热对产品的影响l 器件特性l 可检查和可测试性l 对环境的高度适应能力（稳定性）l 耐腐蚀性l 可制造性、可维修性l 防静电能力对DFM/DFT/DFR/DFA等的要求，给设计人员增加了压力，对于相关不确定的问题，可求助于工艺或相关人员。产品设计要素有如下一些方面，不同的产品有不同的考虑重点l DFV价格设计Design for Value (performance / price ratio)l DFR可靠性设计(Design for Reliability)l DFM可制造性设计(Design for Manufacturability)l DFA 可装配性设计(Design for Assembly)l DFT 可测试设计(Design for Testability)l DFS 可维护性设计(Design for Servicability) 各设计阶段考虑因素亦有所不同，设计者应明白在设计中应考虑何种容。设计步骤和容注意点电路DFV, DFM, DFT, DFRPCB DFA, DFM, DFT, DFR, DFS热设计DFREMC, EMI, ESD DFT, DFR机械设计DFV, DFA, DFM, DFT, DFR, DFS软件DFT, DFS材料选择DFA, DFM, DFT, DFR, DFS封装与包装DFA, DFR优良制造性的标准从2方面来定义。一是产品的可制造性，包括高的生产效率、产品的高稳定性、生产线可承受的缺陷率几方面的定义；另一方面是产品的高可靠性的定义，如产品适应不同环境的变化的参数定义、产品的使用周期定义。工艺设计容包括以下一些方面，从可制造性的角度看，设计人员应有所了解，从而在设计中灵活运用，更好的与工艺人员沟通。l 基本工艺路线的选取l 设备能力的考虑l 设备辅助工具的考虑l 工艺设计规l 工艺参数的调制l 工艺管制与检验15 产品可靠性151 可靠性概述1可靠性的概念可靠性是指产品在规定的时间和规定的条件下，完成规定功能的能力。可靠性的概念包含三层涵义：首先，产品的可靠性是以“规定的条件”为前提的。所谓“规定的条件”是指在规定的时产品使用时的应力条件、环境条件和储存条件等，。规定条件不同，产品可靠性不同。例如，一般半导体器件使用时的输出功率越小，其可靠性越高。又如，同一台电子设备在实验室中使用和在野外使用，可靠性相差很大，环境条件越恶劣，设备的可靠性越低。其次，产品的可靠性与“规定的时间”密切相关。一般说来，产品经过一个老化时间后，有一个较长时间的稳定使用期，以后，随着时间的推移，稳定性逐渐下降，可靠性降低。时间越长，可靠性越低。最后，产品的可靠性是用完成“规定的功能”来衡量的。这里所谓功能是指产品的全部功能，而不是其中一部分。产品只有完成规定的全部功能，才被认为是可靠的。可靠性是产品质量的一个重要方面，通常所说的产品质量好，包含两层意思：一是达到预期的技术指标，二是要在使用中很可靠。根据研究的具体对象，应对电子产品的使用条件、使用时间、功能和失效做出具体规定。产品的可靠性是用概率来表示的。产品在使用过程中，常常因为各种偶然因素，如元件的突然损坏、应力（电负荷、温度、机械影响等）突变、维护或使用不当等的影响而失效，即某一具体产品的失效具有偶然性。但是，大量偶然事件中包含规律性是必然的。我们可以用概率的方法来表示随机事件发生的可能性大小。即我们虽无法确切地知道产品出现失效的时间，但我们可以求出产品在规定时间和条件下完成规定功能的可能性大小。2可靠性的主要指标电子产品功能的发挥，在很大程度上取决于产品可靠性的高低。在可靠性理论中，描述可靠性的特征量有许多种，这里给出可靠性的最基本的几个指标。（1）可靠度（正常工作概率）可靠度是指产品在规定条件下和规定时间完成规定功能的概率。显然，可靠度是可靠性的定量表示。通常用R(t)表示。R(t)=100% （1.1）式中 R(t)产品在时间t正常工作的概率； N试验样品数； n 规定时间t的故障数；（N - n）规定时间t仍然完好的产品数。可靠度的物理意义是：到某个试验期时，仍然完好的产品数与试验产品总数的比例，即完好产品（不失效）的概率。试验样品按规定抽取，不可能无穷多，有足够数量即可。在1.1式中，当t=0时，表示产品试验或工作初期，R(0)=1，表示产品全部完好；当t=，即产品试验或工作了无穷长时间， R()=0，表示产品全部达到寿命终止期。显然，0R(t)1 ，R(t)越接近1，表示可靠度越大。（2）故障率故障率是指产品在规定的条件和规定的时间，失去规定功能的概率。通常用F(t)表示。F(t)= 100% （1.2）F(t)越接近1，表示产品故障率越高。F(t)与R(t)是对立事件，二者的关系是：F(t)+R(t)=1 （1.3）（3）失效率（瞬时失效率）失效率是指产品工作到t时刻后的一单位时间的失效数与在t时刻尚能正常工作的产品数之比。用(t)表示，即(t)=（1.4）式中N试验样品数；t实验时的测试时间间隔，单位为小时（h）n(t)时间从0到t时的失效数； n(t+t)时间从0到（t+t）时的失效数； n(t+t) n(t)t时刻后，在t时间间隔的失效数；N n(t)时刻t时尚能正常工作的产品数。失效与产品的可靠度有密切联系。一般情况下，当为常数时，失效率与可靠度R(t)满足 R(t)= e-t（1.5）即失效率越低，可靠度越高。(t)用单位时间的百分数表示，用110-6/1000h（或110-9/h）作为失效率单位，即100万个元件工作1000小时后出现一个失效元件，称为1菲特。失效率等级划分如表1.3表示。（4）平均寿命（平均正常工作时间）平均寿命是指产品正常工作的平均时间；对不可修复产品，是指产品失效前的平均工作或贮存时间；对可修复产品，平均寿命是指相邻两次故障间的平均时间。平均寿命可表达为： t=ti/N （1.6）式中t平均寿命；ti试验样品数正常工作时间之和；N试验样品数（对可修复产品，N是试验样品中的维修总次数）。表1.3失效率等级名称符号最大失效率(1/h)名称符号最大失效率(1/h)亚五级Y310-5八级B110-8五级W110-5九级J110-9六级N110-6十级S110-10七级Q110-73可靠性的分类（1）固有可靠性固有可靠性是指产品的设计、制造时在的可靠性。对电子产品来说，产品的复杂程度、电路和元器件的选择与使用、元器件的工作参数与其可靠度，以与机械结构和制造工艺等影响产品的固有可靠性。对于元器件来说，原料品质、制造工艺、工作参数等影响固有可靠性。电子产品的固有可靠性在很大程度上依赖于元器件的可靠性。产品越复杂，所用元器件越多，产品固有可靠性越低。（2）使用可靠性使用可靠性是指使用和维护人员对产品可靠性的影响。它包括使用与维护的程序是否正确、设备选用是否合理，操作方法是否得当以与其它人为的因素。使用可靠性在很大程度上依赖于使用设备的人。熟练而正确的操作，与时的维护和保养都能显著提高使用可靠性。（3）环境适应性环境适应性是指产品所处的环境条件对可靠性的影响。提高设备的环境适应性，主要是对设备采取各种有效的防护措施。4可靠性设计的基本原则（1）设计方案的简化在满足产品性能的要求下，要尽量减化设计方案，减少所用元器件的数目，选用可靠性高的元器件，尽可能降低元器件的使用应力强度（降额使用），这是提高电子产品可靠性的重要环节。在设计阶段一定要按可靠性要求进行设计。（2）注意可靠性与经济性的关系产品的可靠性提高，将造成生产和科研费用增加，即生产成本提高，但使用和维修费用将随可靠性提高而降低，因此总的费用不一定增加。若降低产品可靠性，虽然研制、生产费用下降了，但其使用和维修费将上升，总费用仍有可能增加。（3）可靠性与可维修性考虑电子产品可靠性设计时，还应考虑可维修（4）加工工艺的可靠性工艺加工必须保证产品元器件在加工过程中，不致受到热力、机械的和电气的损伤，并严格按照工艺文件的要求进行加工。应当把可靠性设计与加工的可靠性密切配合起来，以保证产品的质量要求。关于加工工艺的要求，在以后各章中均有涉与，在此不再赘述。（5）充分考虑元器件和产品的可靠性，适当采用余度设计和备份设计。152 元器件可靠性与产品可靠性1元器件的可靠性元器件的可靠性通常用失效率来表征。实践发现，普通元器件和半导体元器件的失效规律不尽相同。（1）元器件的失效规律普通电子元器件的失效规律如图1.2所示，这就是常说的船形曲线或浴盆曲线，它分为三个阶段：图1.2典型普通元器件失效曲线在使用的早期，由于设计、制造上的缺陷而发生的失效叫做早期失效，对应的失效期为早期失效期。这个时期失效高，但随元件的工作时间的增加而失效率迅速降低；在早期失效之后，进入偶然失效期，也称随机失效期。此时，失效率是常数，且较低，偶然失效期是元件使用的寿命期；在产品使用的后期，进入老化失效期，失效率迅速上升，产品报废。通过对原材料和生产工艺加强检验、质量控制和对元器件进行筛选老化，可以大大降低早期失效率。研究偶然失效期对实践指导最有意义，电子设备的所有元器件和组件都应工作在失效率较低的偶然失效期,尽量避免工作在耗损失效期。（2）一般元器件的可靠性通常用失效率表示。元器件工作在偶然失效期，其失效率为常数，由（1.5）式，其可靠度为：R(t)=e-t元器件可靠性与使用条件有密切关系，使用条件包括工作环境条件和负荷条件。一般说来，元器件所处的条件越恶劣，其失效率越高，因此，元器件一般都是降额使用，使其失效率降低，延长工作寿命，提高可靠性。所谓降额使用就是元器件的额定参数要高于使用参数。但并不是说所有元器件都是减额越多越好，如继电器减额则吸引力减少，氧化膜磨不掉，可靠性降低。所以降额使用要根据具体的元器件区别对待。2系统可靠性一个复杂的系统可以由多个子系统或部件组成。而每一个子系统或部件又由多个元器件组成。我们可以根据元器件的可靠性求得系统可靠性，也可以根据系统可靠性分配各子系统的可靠性。（1） 串联系统设一个复杂的系统C，可以由多个子系统或部件A1A2A3An组成，只要任何一个Ai失效，则C失效；若要C可靠，则Ai 必须全部可靠。这样的系统C的可靠性为R(C)=R(A1)R(A2)R(A3)R(An)=（1.7）由于R(Ai)1，所以相乘项越多，则积越小，因此，为提高系统的可靠性，应尽量减少串联系统的数目。（2）冗余系统（备份系统）串联系统的可靠度低于各子系统的可靠度，当串联系统的可靠性设计不能满足预定要求时，可以采用备份元件或备份系统的方法提高可靠性，称为冗余系统或备份系统。冗余系统只在极端重要的场合（如导弹发射与制导、卫星系统等）或元件可靠性满足不了系统要求时才采用。并联系统是最常见的冗余系统。它的特点是只要系统中任何一元件（或子系统）可靠，则系统就可靠，只有所有元件（或子系统）全部失效时，系统才失效。可见，备份越多，可靠性越高，但设备费用却成倍增加，因此，可靠性的提高，要着重提高基础件（或子系统）的可靠性，而不提倡采用备份。16 提高电子产品可靠性的方法电子产品是由电子元器件、组件、部件按照一定的工艺要求组合起来的，电子产品的可靠性的基础是电子元器件的可靠性，电子元器件的正确选用、合理的结构设计、有效的防护措施是保证电子产品可靠性最有效的方法。本节主要从上述几方面介绍提高电子产品可靠性的方法。151 正确选用电子元器件1选用电子元器件的原则（1）根据电性能指标和使用条件选用适宜的元器件，使用条件不得超过元器件参数和环境条件，并留有富余量；（2） 尽可能地压缩元器件的品种和规格数量，提高它们的复用率；（3）除特殊情况外，所有电子元器件都要按不同要求进行可靠性筛选，然后才能用到电子产品中去；（4）仔细分析比较同类元器件的差异，择优选用，并注意积累元器件在使用中的性能与可靠性方面的依据，作为以后选用的重要依据。2选用电子元器件的方法对电子元器件进行筛选，就是要从一批元器件中选出可靠性较高的元器件，淘汰那些有潜在缺陷而导致早期失效的元器件，这对提高电子产品的可靠性有重要意义。考虑到技术困难和经济合理性，我们必须精心选择应力条件和筛选方法，用最经济有效的方法达到规定的可靠性。（1）按复杂程度可分为：分布截尾筛选法：筛选掉参数偏离标称值过大的产品。应力强度筛选法：对产品施加各种应力条件后进行测试挑选。老炼筛选：在规定的时间对产品施加各种应力条件后进行测试挑选。线性鉴别筛选：类似于老炼筛选，但要运用数理统计技术进行判别。精密筛选：在接近于产品使用条件下进行长期老炼，并多次精确测定参数变化量，从中进行挑选和预测。在以上五种方法中，前两种方法简便易行，但效果差。目前主要用老炼筛选法。（2）按照施加应力手段不同，筛选可分为：寿命筛选、环境应力筛选、密封性筛选、检查性筛选等。152 电子元器件的降额使用降额使用就是元器件在低于其额定值的应力条件下工作，是提高电子产品可靠性的最有效措施之一。对元器件有影响的应力包括：时间、温度、湿度、腐蚀、机械应力和电应力，合理的降额可以大幅度地减少元器件的失效。1电阻器的降额使用要点元器件实际使用时的参数与额定值的比值为降额系数，用S表示。电阻器的降额系数S一般取0.10.6，环境温度一般低于60，低于45最好。当S0.1时，发热量过小，潮气不易驱，失效率反而提高。可变电阻器失效率比固定电阻高12个数量级，一般少用。2电容器的降额使用要点电容器的使用温度一般应低于50，尤其是电解电容器更不宜在高温下工作，电解电容器在低于-45使用时应采用耐寒型。电容器的电压降额系数S一般小于0.6，对于电解电容器S不得小于0.2，金属化纸介电容器一般取0.50.8，小型云母电容器常出现低电平失效，所以交流运作时S不得太小，其承受的电压不低于100mV，否则应选用其它类型的电容器。3半导体器件降额使用要点不同半导体器件的降额系数S的含义是不同的，如晶体三极管的S为实际功率与25时的最大额定功率之比，晶体二极管的S为平均正向电流与25时的最大额定正向电流之比，稳压管的S为实际耗散功率与25时的最大额定功率之比，光电器件的S为实际耗散功率与25时最大额定功率乘以与最大允许结温有关的修正系数之比。半导体器件的S一般取0.5以下，使用温度低于50，锗管还要低一点。表1.6是常用元器件的推荐降额使用围，设计时可参考。表1.6常用元器件的推荐降额围元器件种类电阻器电容器半导体器件电感器继电器接插件微电机容TSPTSVSPSVTSISISISP围450.10.6500.60.50.71300.60.7白炽灯负载0.15电感性负载0.3同左0.30.8符号说明：T工作温度（）； SP功率降额系数；SV电压降额系数；SI电流降额系数。153 采用冗余系统（备份系统）从上节已知，系统中串联的元件或子系统越多，其可靠性就越低；而当采用冗余系统（备份系统）后，系统的可靠性将会提高。如图1.7（a）所示并联系统，只有当构成并联关系的A1 、A2 、An全部出故障系统才不能运行，否则，只要A1 、A2 、An中有一个可以正常工作，系统都将会正常运行下去。图1.7（b）为一个待机系统，正常情况下A1执行工作，当A1出现故障时，转换开关自动接通，A2接替A1开始工作，所以，只有A1 、A2均不正常时，系统才不能运行。待机系统是由于A2一般情况下处等待状态而得名，由于该系统增加了一个转换开关，其可靠性的高低直接影响系统可靠性，应选用可靠性较高的器件。154 采取有效的环境防护措施有效的环境设计可以防止与减少温度、潮湿、生物危害、机械振动与冲击、电磁干扰等对电子设备材料和器件的不良影响，达到提高电子设备的可靠性的目的。各种环境设计的原理与方法将在相关章节中介绍。155 进行环境试验将电子设备置于模拟的工作环境或实际使用环境中、按照技术指标的要求进行试验，以考核其性能和可靠性。提前发现问题，采取有效的改进措施，消除设计制造中存在的不可靠因素。环境试验可分为以下两种：1 单项试验单项试验的目的是考核某项指标的稳定性。将设备置于人工模拟的工作环境中，按照技术指标的要求，考核产品抵抗某项环境影响因素的能力。如耐温、耐湿、耐压、密封、耐振动、耐冲击等的稳定性试验。2 综合试验综合试验的目的是考核产品在综合因素作用下所能达到的性能指标。这种实验比较接近于实际使用情况，所以通过综合试验，更能考核设备的真实可靠性。156 设置故障指示和排除系统为提高设备的可靠性，正确设置故障指示和排除系统可以简化故障的判断、查找，使故障的维修与排除变的迅速。具体做法有：采用故障检测电路与故障预、报警装置；采用插入单元和便于替换部件结构；减少检修通道上的障碍以便于维修；采用标准化结构和快速拆卸结构等。第二章 电子产品的防腐蚀设计21 概述211 腐蚀效应1腐蚀的概念材料受环境介质的化学作用而发生性能下降、状态改变、甚至损坏变质的现象。2腐蚀的分类根据被腐蚀材料的种类，可分为金属腐蚀和非金属腐蚀两大类。金属腐蚀：金属与周围环境介质之间发生化学或电化学作用而引起的破坏或变质现象。按照腐蚀的机理分类，可分为化学腐蚀、电化学腐蚀和物理腐蚀。化学腐蚀主要为金属在无水的液体和气体以与在干燥的气体中的腐蚀。物理腐蚀是指金属由于单纯的物理溶解作用而引起的破坏，金属与熔融液态金属接触引起的金属溶解或开裂就属于物理腐蚀。电化学腐蚀是金属与电解液发生作用所产生的腐蚀。其特征是腐蚀过程中有电流产生，在金属表面上有隔离的阳极区和阴极区，被腐蚀的是阳极区。电化学腐蚀的现象与原电池作用相似。电化学腐蚀是最普遍、最常见的金属腐蚀，在造成电子设备故障的常见的原因中，金属的电化学腐蚀是最常受到指责的因素。大多数电子设备的制造、运输、储存和使用都是在地面或接近地面的地方进行，因此金属材料在潮湿大气中的腐蚀破坏是电子设备防腐蚀设计重点考虑的问题。非金属材料在化学介质或化学介质与其他因素（如应力、光、热等）共同作用下，因变质而丧失使用性能称为非金属材料腐蚀。电子设备使用的非金属材料，以有机高分子材料为最广泛，如塑料、涂料、薄膜、绝缘材料等。高分子材料腐蚀的主要形式有老化、化学裂解、溶胀和溶解、应力开裂等。由于生物活动而引起材料变质破坏的现象通常称为生物腐蚀，其中由于霉菌和其他微生物引起的腐蚀也称为霉腐或霉变。212 腐蚀性环境因素凡是能够作为腐蚀介质引起材料腐蚀的环境因素，都可称之为腐蚀性环境因素，主要有以下几种：1 水分。2 氧和臭氧。3 温度。4 腐蚀性气体。5 盐雾。6 沙和灰尘。7 太阳辐射。8 微生物额动物。213 防腐蚀设计的基本要求实践证明，采取恰当的防护措施，腐蚀是可以受到一定程度的控制，有些腐蚀事故是可以避免的。在防腐蚀设计时，应该考虑的主要因素有：电子设备可能遭遇的环境条件与主要的腐蚀性环境因素；对腐蚀损坏最敏感的部位（包括元器件、零部件和材料）；要求保护的程度（临时性防护、可更换零件防护、高稳定性永久性防护等）以与允许采用的防护手段。通过对各种因素的综合分析，预测可能发生的腐蚀类型和危险性后果，从而确定合理而有效的防腐蚀措施。防止电子设备腐蚀损坏的基本方法有以下几种：1 采用高耐蚀性材料；2 消除或削弱环境中的腐蚀性因素；3 对不耐蚀材料进行耐蚀性表面处理；4 防腐蚀结构设计；5 电化学保护；企图仅仅采用一种方法来达到防止腐蚀的目的是不切实际的。通常需要将几种方法接合起来使用，以获得经济而有效的结果。22 潮湿与生物危害的防护221 潮湿的防护1、潮湿的危害气候条件对电子设备的影响是多方面的，但从设备产生故障的直接原因来看，潮湿是主要因素。潮湿对电子设备具有以下破坏作用：（1）引起金属腐蚀与加快腐蚀速度。（2）使非金属材料性能变坏、失效。一些吸湿较大的材料，吸湿后发生溶胀、变形、强度降低乃至产生机械性破损。此外，水分附着在材料表面或渗入部，使材料表面电导率增加，体积电阻降低，造成短路、漏电和击穿，介质损耗增大。潮湿也是使油漆涂覆层起泡，脱落从而失去其保护作用的一个重要因素。（3）水是一种极性介质，能够改变电气元件的参数，例如水附着在电阻器上，会形成一漏电通路，相当于在电阻器上并联一可变电阻。（4）在一定温度条件下，潮湿有利于霉菌的生长繁殖，引起非金属材料的霉烂。（5）当温度升高或空气中含有杂质（如灰尘、盐分等）时，潮湿的影响和危害将加剧。2、吸湿机理 处在潮湿空气中的物体，由于空气中的水分在热的作用下蒸发形成水蒸汽，水蒸气的分子运动，必然有一部分水分子被吸附在物体表面上，形成了一层水膜，随着空气相对湿度增高，水膜厚度亦增大。一切物体的吸湿，都是由这层水膜引起的。物体的吸湿有以下四种形式：（1）扩散 在高湿环境下，由于物体本身和周围环境的水汽压力差较大，水分子在压力差的作用下，向物体部扩散，使水分子进入物体部。扩散随着温度增高而加剧。（2）吸收 有些材料本身具有缝隙和毛细孔，当物体处于潮湿空气中时，材料表面的水分子由于毛细作用，进入材料部。（3）吸附 由于物体表面分子对水分子具有吸引力，当物体处于潮湿空气中时，水分子就会吸附到物体表面上，形成一层水膜。（4）凝露 当物体表面温度低于周围空气的露点温度时，空气中的水蒸汽便会在物体表面上凝结成水珠，形成一层很厚的水膜。在高低温交变循环下，可能造成物体部的凝露，严重时造成物体部积水。 扩散和吸收使水分子进入材料部，因而会使材料的体积电阻率下降，水分子以扩散和吸收的形式进入材料部的程度，可以用吸湿性（吸潮性）和透湿性等指标表示。吸附和凝露会使材料表面形成一层水膜，造成材料表面电阻率下降。材料表面是否被水润湿，对材料表面电阻率有很大的影响，一般来讲，材料表面被水润湿的程度越大，其表面电阻率下降也越大，材料表面被水润湿的程度可用润湿角来表征。当润湿角900时，材料可被认为是亲水性的，即物体表面对水分子的吸引力大于水的表面力。亲水性物体使水在物体表面上连成一片水膜。当润湿角900时，则被认为是憎水性的，即物体表面对水分子的吸引力小于水的表面力。憎水性物体使水在物体表面上收缩成不相连接的小水珠，物体表面不易润湿，水分子不易渗入物体部。而且，角越大，表示物体的憎水性越强 以上四种吸湿形式可能同时出现，也可能只出现某一二种，这要根据具体情况而定。3、防潮湿措施 防潮湿措施首先是合理地选用材料，在满足结构强度，性能要求和经济性的情况下，应采用耐腐蚀、耐湿、化学性能稳定的材料，同时采取表面憎水处理、浸渍、灌封、密封等方法。（1）憎水处理亲水性物质的吸湿性、透湿性大，可以通过憎水处理改变其亲水性，使它的吸湿性和透湿性降低。方法是把硅有机化合物盛在容器中，放到加热器中加热到5070，让其挥发，被处理的元器件和零件在有机硅蒸汽中吸收有机硅分子，然后在180200的环境中烘烤，有机硅分子渗入元器件和零件所有的毛细孔和缝隙并与水分子化合，在元器件和零件表面形成憎水性的聚硅烷膜。（2）浸渍和蘸渍 浸渍是将被处理的元器件和零件浸入绝缘漆中，经过一段时间使绝缘漆进入元器件和零件的毛细孔、缝隙以与结构中的空隙，从而提高了元器件和零件的防潮湿性能。浸渍有一般浸渍和真空浸渍两种，真空浸渍的效果高于一般浸渍。经浸渍处理后的元器件和零件除了具有良好的防潮湿性能外，还能提高纤维绝缘材料的抗电强度、热稳定性，提高元器件和零件的机械强度，改善了传热性能。蘸渍是把被处理的元器件和零件短时间（几秒钟）地浸泡在绝缘漆中，使元器件和零件表面上形成一层薄绝缘漆膜；也可以用涂覆的方法在元器件和零件表面涂上一层绝缘漆膜。蘸渍适用于敞开式的整机、功能单元等，除了能防潮湿以外，还能增加元器件和零件的外形美观。蘸渍和浸渍的区别在于：蘸渍只是在材料表面上形成一层防护性能绝缘漆膜，而浸渍则是将绝缘漆深入到材料部，所以蘸渍的防潮湿性能比浸渍差。 常用的防潮漆有：环氧绝缘清漆、聚氨脂绝缘清漆、环氧聚酰胺绝缘清漆等。（3）灌封 灌封是用热熔状态的树脂、橡胶等将元器件浇注封闭，形成一个与外界环境完全隔绝的独立的整体。灌封除可保护电子元件避免潮湿和腐蚀外，还能避免强烈振动、冲击与剧烈温度变化对电子元件的不良影响，以与提高抗振冲强度。但此法多适用于小型的单元、部件与元器件。灌封材料主要要应具有优异的粘附力，很小的透湿性、较高的软化点以与优良的向物体缝隙的渗透能力。常用的灌封材料有：有机硅凝胶、有机硅橡胶、环氧树脂等。（4）密封密封是长期防止潮气影响的最有效方法。它就是将零件、元器件或一些复杂的装置甚至整机安装在不透气的密封结构中。此法造价较高，工艺较复杂。作为防潮湿的辅助手段，有时可对某些设备采用定期通电加热的方法来驱除潮气，也以用吸潮剂吸掉潮气。222 生物危害的防护1、霉菌的滋生与其危害性 （1）霉菌特性霉菌属于细菌中的一个系列，它能在土壤里与一切有机材料和有些无机材料的表面上滋生和繁殖霉菌的孢子很小（小于1m），极易随空气侵入设备部，因此，凡是空气可以进入的设备中，所有的零件都有可能受到霉菌孢子的污染。此外，各种昆虫和尘埃也都是传播孢子媒介。霉菌在生长和繁殖过程中需要水分、氧气以与碳、氢元素和微量磷、镁、钾、钙等元素作为其营养物质。霉菌孢子只有在潮湿的情况下，才能生长；只有在有水的情况下，霉菌才能进行一系列的新代作用。一般情况下，当空气中的相对湿度低于65%时，霉菌极难生长，而在潮湿的环境中，霉菌生长旺盛；但当空气中的相对湿度达到100%时，物体的表面将凝聚一层水膜，对霉菌的生长亦不利。氧气是霉菌生命过程中进行呼吸作用的必需物质，停止供给新鲜氧气，霉菌的生长就会终止。对于霉菌所需的其他营养物质，在电子设备中的许多非金属材料中都能得到满足。 霉菌生长和繁殖最适宜的温度围是2030，温度高于30，霉菌的生长能力将是显著下降；温度超过60，霉菌则很容易死亡。霉菌抗低温的能力较强，低温只能抑制霉菌的生长，而致死作用较差。霉菌的最低生长温度为摄氏6。（2）霉菌的危害性由于霉菌是靠自身分泌的酶在潮湿条件下分解有机物而获得养料，这个分解过程就是霉菌侵蚀和破坏有机物材料的根本原因。霉菌对电子设备的危害分为直接危害和间接危害两种。霉菌对电子设备的直接危害是：由于霉菌在生长和繁殖过程中从有机物材料中摄取营养成份，从而使材料结构发生破坏，强度降低、物理性能变坏。同时，霉菌本身作为导体，可以造成短路，给电子设备带来更严重的后果。 霉菌对电子设备的间接危害是：由于霉菌在新代过程中分泌出的二氧化碳与其他酸性物质，引起金属腐蚀和绝缘材料的性能恶化。同时，霉菌还会破坏元件和设备的外观，以与给以人的身体造成毒害作用。 因此，对处于潮湿环境中工作的电子设备，为了减少霉菌对其的影响，应进行防霉处理，以提高其可靠性。2、防霉菌措施 （1）控制环境条件，抑制霉菌的生长 霉菌的生长和繁殖需要适当的环境，如果在电子设备的部放入干燥剂并将设备密封，保持设备部干燥、清洁；或将设备处于温度低于摄氏6，通风良好的干燥环境中，就能使霉菌失去生长和繁殖的条件，从而收到良好的防霉效果。 （2）使用抗霉材料 合理选用材料是电子设备防霉的最基本方法。材料的抗霉性，主要取决于材料本身的性质，一般含有天然有机物的材料，如皮革、木材、棉织品、丝绸、纸制品等极易受霉菌的侵蚀；而像石英粉、云母等无机矿物质材料，则不易长霉。因此，在电子设备中应尽量避免使用上述各种有机材料。合成树脂本身具有一定的抗霉性能，但因有机颜料、油脂、某些增塑剂和填料的加入，使得某些种类的油漆、塑料易受霉菌的侵蚀。不论是天然橡胶还是合成橡胶，均为高分子碳氢化合物，若与霉菌长期接触，能被分解转化成为霉菌的营养物质，为霉菌所侵蚀。 为此，建议采用玻璃纤维、石棉、云母和石英等为填料的压塑料和层压材料。橡胶宜采用氟橡胶、硅橡胶、乙丙橡胶与氯丁橡胶等合成橡胶；粘结剂与密封胶宜采用以环氧、环氧酚醛，有机硅环氧等合成树脂（或合成橡胶）为基本成份的粘结剂；绝缘浸渍用漆则宜采用改性环氧树脂漆和以有机硅为基本成份的油漆。 （3）用足够强度的紫外线照射用足够强度的紫外线和日光的照射不仅能防止霉菌对电子设备的侵入，而且可以消灭霉菌。（4）防霉处理当必须使用不耐霉或耐霉性差的材料时，则必须使用防霉剂进行防霉处理，防霉剂系化学药品，能够抑制霉菌的生长和繁殖或将其灭杀。防霉剂的使用有以下三种形式：混合法：把防霉剂与材料的原料混和在一起，制成具有抗霉能力的材料。例如，在造漆时可把防霉剂加入漆中制成防霉漆。喷涂法：把防霉剂和清漆混合，喷涂于整机、零件和材料的表面。浸渍法：制成防霉剂稀溶液，对材料进行浸渍处理。棉纱、纸等可用此法。一般，对于零部件是在机械加工后作防霉处理；而对于材料，可根据它的来源和使用时间，在材料的配制（制造）中或使用时进行防霉处理。必须指出：各种防霉剂都具有不同程度的毒性或难闻气味，使用时应注意劳动保护。3、其他生物危害与其防护微生物或海洋动物、植物等也会使电子设备中的金属产生腐蚀。通常，由于微生物的存在为电子设备的金属腐蚀创造了必要的条件或使腐蚀的过程加速。例如，附着在金属表面上的动物类、植物类的海生物，通常是通过海风或海浪把它带入电子设备的，这些海生物在其新代过程中释放二氧化碳和氧气，其尸体可分解出硫化物，这些物质均能使金属发生腐蚀或使腐蚀过程加快，有的还能破坏油漆防护层。钢、铁、铝与其合金是海生物最能附着的材料，而对于铜材表面，海生物附着力最小。防止生物危害最有效的方法是进行合理结构设计或采用密封结构，加大腐蚀材料的厚度、选用耐腐蚀的材料，以与阴极保护法等都能减少生物对电子设备的危害。23 金属腐蚀机理231金属腐蚀的定义 金属材料的腐蚀现象都是在外界腐蚀介质的存在下而发生的。因此，金属材料与外界腐蚀介质发生作用（化学的或电化学的作用）而破坏的现象称为金属腐蚀。金属腐蚀都是从与介质相接触的表面开始，再向金属部或表面其他部分扩展。发生腐蚀后，金属不再作为元素，而是变成了某种化合物，从而失去了作为为金属材料的宝贵性能。 金属腐蚀是一种化学性损坏，单纯的机械作用造成金属的物理性破坏，不能叫作金属腐蚀。但是，有时腐蚀介质与机械因素会同时作用，两者可以互相促进，加速金属的破坏，例如，金属零件在交变应力与腐蚀介质共同作用下发生疲劳损坏（称为腐蚀疲劳）时，其疲劳强度 比在空气中的疲劳强度低得多。 表征金属材料对某种腐蚀介质的抵抗能力通常用金属材料的耐蚀性来表示，金属材料的耐蚀性并非恒定的指标，而是随金属材料和腐蚀介质的种类与其他条件（如温度、湿度、应力、表面状态等）不同而异。一种金属在某种腐蚀介质中不发生腐蚀，称其耐蚀；对于即使存在发生腐蚀的可能性，但腐蚀速度极其缓慢的材料，也可看作是耐蚀的。232金属腐蚀的分类 按照腐蚀作用发生的机理，金属腐蚀可以分为化学腐蚀与电化学腐蚀两类。 化学腐蚀是金属与腐蚀介质直接进行化学反应，是没有电流产生的腐蚀过程。如果从腐蚀过程进行时的条件来考虑，化学腐蚀是在非电介质溶液或干燥气体作用下金属发生的腐蚀。电化学腐蚀是金属与电解液发生作用所产生的腐蚀。其特征是腐蚀过程中有电流产生，在金属表面上有隔离的阳极区和