《产品结构设计》

第一章 概 述 1 1 电子设备结构设计与制造工艺 1 1 1 现代电子设备的特点 当前，电子技术广泛地应用于国防、国民经济各部门以及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，超小型化元器件和中大规模、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及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 设备使用范围广，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。 1 1 2 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，它的内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，它的主要内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。工艺工作按内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体现出来。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内容。随后，由于军用电子技术的发展和野战的需要，结构设计的内容逐步丰富起来。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。 1 1 3 电子设备结构设计与制造工艺课程内容 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内容，是一门综合性的应用型边缘学科，作为一门课程，它的内容只能涉及电子设备机构与工艺的最基本内容，具体包括以下内容： 1. 电子设备的工作环境及其对设备的要求； 2. 可靠性及提高可靠性的方法； 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及散热方法； 5. 减振缓冲原理及常用减振器的选用； 6. 电磁干扰及其屏蔽，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及整机结构。 1.2 电子设备的工作环境及其对设备的影响 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。 1 3 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。 1 3 1 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，保证设备内的结构件、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，保证设备内的各种元器件、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。 1 3 2 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，更不能危及人身安全。 （ 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，及时更换维修 。 1 3 3 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内容。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。 1 4 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内部或是外部顾客，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）、和有较短而及时的交货期。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、以及准确的交货时间，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范围内的变动。 坚固的工艺是相对的，所以一套设计规范也是有其针对性的。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涉及的内容 DFM涉及的内容有以下一些方面， 热对产品的影响 器件特性 可检查和可测试性 对环境的高度适应能力（稳定性） 耐腐蚀性 可制造性、可维修性 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 DFV 价格设计 Design for Value (performance / price ratio) DFR 可靠性设计 (Design for Reliability) DFM 可制造性设计 (Design for Manufacturability) DFA 可装配性设计 (Design for Assembly) DFT 可测试设计 (Design for Testability) 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内容。 设计步骤和内容 注意点 电路 DFV, DFM, DFT, DFR PCB DFA, DFM, DFT, DFR, DFS 热设计 DFR EMC, 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 封装及包装 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、生产线可接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。 工艺设计内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。 基本工艺路线的选取 设备能力的考虑 设备辅助工具的考虑 工艺设计规范 工艺参数的调制 工艺管制及检验 1 5 产品可靠性 1 5 1 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内和规定的条件下，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”是指在规定的时内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 间内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)= NnN 100% （ 1.1） 式中 R(t) 产品在时间 t 内正常工作的概率； N试验样品数； n 规定时间 t 内的故障数； （ N - n） 规定时间 t 内仍然完好的产品数。 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， 0 R(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内，失去规定功能的概率。通常用 F(t)表示。 F(t)= Nn 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内的失效数与在 t 时刻尚能正常工作的产品数之比。用 (t)表示，即 (t)=ttnN tnttn )( )()(（ 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 时间间隔内的失效数； 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 1 10-6/1000h（或 1 10-9/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 Y 3 10-5 八 级 B 1 10-8 五 级 W 1 10-5 九 级 J 1 10-9 六 级 N 1 10-6 十 级 S 1 10-10 七 级 Q 1 10-7 3 可 靠性的分类 （ 1）固有可靠性 固有可靠性是指产品的设计、制造时内在的可靠性。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、元器件的工作参数及其可靠度，以及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 以及其它人为的因素。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，及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及，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。 1 5 2 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 A1A2A3 An 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)=ni iAR1)( （ 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。 1 6 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办法。本节主要从上述几方面介绍提高电子产品可靠性的方法。 1 5 1 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合适的元器件，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：在规定的时间内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。 1 5 2 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 0.1 0.6，环境温度一般低于 60 ，低于 45最好。当 S25个）。这种技术难度大，成品率低。 3 三维组装（ 3D） 将 IC， MCM， WSI 进行三维叠装，进一步缩短引线，增加密度。 6.7.4 微电子焊接技术 微组装焊接技术是实施 MPT的核心技术，就技术本身而言，它同 SMT所用焊接技术是相同的。但由于微组装更为精细，要求相应精细的焊接方法。 1 倒装焊 倒装焊是 MCM组装中的关键技术，又称面键合技术。 2 激光再流焊 激光能量集中，能使很小的区域迅速加速，热影区小。 利用光导纤维分割激光束，可进行多点同时焊接。如果再配合红外探 测器监视加热过程，通过计算机控制自动调整焊接过程参数就可以实现自动化和智能化。 3 免清洗充氮再流焊 采用免清洗焊膏和全封闭充氮方式实现再流焊，可以减少氧化，提高焊接 质量，达到精密焊装要求。 此外，在微组装技术中采用自动丝焊和带载自动链合技术（ TAB）以及导电胶粘接技术等和各种连接技术来满足高精度组装的要求。 第七章 印制线路板的结构设计及制造工艺 在组装 工艺技术 方面，印制电路板 PCB（ printed circuit boards） 产品已经走过三个阶段，即通孔插装用 PCB、表面安装用 PCB和芯片封装用 PCB。 7.1印制电路板结构设计的一般原则 元器件布局与布线原则，对印制板上的元器件布局也基本适用。但印制板又有其自身特点，如印制导线都是平面布置，单面印制板上导线不能相互交叉；铜箔的抗剥离强度较低，接点不易多次焊接；不宜采用一点接地等。因此印制板上元器件布局与布线又有其自身特点。 7.1.1印制电路板的 结构布局设计 1印制电路板的热设计 由于印制电路板基材耐温能力和导热系数都比较低，铜箔的抗剥离强度随工作温度的升高而下降。印制电路板的工作温度一般不能超过 85。 2 印制电路板的减振缓冲设计 印制电路板是电子产品中电路元件和器件的支撑件，它提供电路元件和器件之间的电气连接。 为提高印制板的抗振、抗冲击性能，板上的负荷应合理分布以免产生过大的应力 。 3 印制电路板的抗电磁干扰设计 7. 印制电路板的板面设计 元器件应按电原理图顺序成直线排列，力求紧凑以缩短印制导线长度，并得到均匀的组装密度。在保证电性能要求的前提下，元器件应平行或垂直于板面，并和主要板边平行或垂直。在板面上分布均匀整齐。一般不得将元件重叠安放，如果确实需要重叠，应采用结构件加以固定。 通常元器件布置在印制板的一面。此种布置便于 加工、安装和维修。 对于电位器、可调电感线圈、可变电容器、微动开关等可调元件的布局应考虑整机的结构要求。 机内调节，应放在印制板上便于调节的地方；机外调节，其位置与调节旋钮要 在机箱 上 。 元件的标记或型号应朝向便于观察的一面。 7.1.2印制电路板上的元器件布线的一般原则 1.电源线设计 根据印制线路板电流的大小，尽量加 粗 电源线宽度，减少环路电阻。同时使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。 2. 地线设计 公共地线应布置在板的最边缘，便于印制板安 装在机架上，也便于与机架 (地 )相连。导线与印制板的边缘应留有一定的距离 (不小于板厚 )，这不仅便于安装导轨和进行机械加工，而且还提高了绝缘性能。 数字地与模拟地应尽量分开。低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联 就近 接地，地线应短而粗， 电路的工作频率越高，地线应越宽。 印制板上每级电路的地线一般应自成封闭回路，以保证每级电路的地电流主要在本级地回路中流通，减小级间地电流耦合。如 仅 由数字电路组成的印制板，其接地电路布成 封闭 环路大 多能提高抗噪声能力。 但印制板附近有强磁场时，地线不能做成封闭回路，以免成为一个闭合线圈而引起感生电流。 3.信号线 设计 低频导线靠近印制板边布置。将电源、滤波、控制等低频和直流导线放在印制板的边缘。高频线路放在板面的中间，可以减小高频导线对地线和机壳的分布电容，也便于板上的地线和机架相连。 高电位导线和低电位导线应尽量远离，最好的布线是使相邻的导线间的电位差最小。 避免长距离平行走线，印制电路板上的布线应短而直。必要时可以采用跨接线。双面印制板两面的导线应垂直交叉。 高频电路的印制导线的长度和宽度宜小，导线间距要大。 印制电路板上同时安装模拟电路和数字电路时，宜将这两种电路的地线系统完全分开，它们的供电系统也要完全分开。 采用恰当的接插形式，如用接插件、插接端和导线引出等几种形式。输入电路的导线要远离输出电路的导线， 以免发生反馈 耦 合。 引出线要相对集中设置。布线时使输入输出电路分列于电路板的两边，并用地线隔开。 7.1.3印制导线的尺寸和图形 当元器件结构布局和布线方案确定后，就要具体地设计绘制印制导线的图形。 1.印制导线的宽度 覆铜箔 板铜箔的厚度一般为 0.02mm 0.05mm。印制导线的最小宽度取决于导线的载流量和允许温升。 表 7.1 0.05mm 厚的导线宽度与允许的载流量、电阻的关系 导线的宽度 (mm) 0.5 1.0 1.5 2.0 允许载流量 (A) 0.8 1.0 1.3 1.9 电阻 ( /m) 0.7 0.41 0.31 0.29 2.印制导线的间距 导线的最小间距主要由最 恶劣 情况下的 导 线间绝缘电阻和击穿电压决定。 一般导线间距等于导线宽度，但不小于 1mm。对于微型设备，不小于 0.4mm。表面贴装板的间距 0.12 0.2mm，甚至 0.08mm。具体设计时应考虑下述三个因素： （ 1）低频低压电路的导线间距取决于焊接工艺。采用自动化焊接时间距要小些，手工操作时宜大些。 （ 2）高压电路的导线间距取决于工作电压和基板的抗电强度。 （ 3）高频电路主要考虑分布电容对信号的影响。 表 7.2 安全工作电压、击穿电压与导线间距值 导线间距 (mm) 0.5 1.0 1.5 2.0 3.0 工作电压 (V) 100 200 300 500 700 击穿电压 (V) 1000 1500 1800 2100 2400 3.印制导线的图形 元器件在印制板上有两种排列方式：不规则排列、规则排列。不规则排列适用于高频电路，它可以减少印制导线的长度和分布参数，但不利于自动插装。规则（坐标格）排列，排列整齐，自动插装效率高，但引线可能较长。 同一印制板上的导线的宽度宜一致，地线可适当加宽。导线不应有急弯和尖 角，转弯和过渡部分宜用半径不小于 2mm 的圆弧连接或用 45 度角连线，且应避免分支线。 当导线宽度超过 3mm时，最好在导线中间开槽成两根并联线。大面积铜箔时，应做成栅格状。 7.焊盘 焊盘中心孔要比器件引线直径稍大一些。焊盘太大易形成虚焊。一般焊盘外径 D (d+1.3)mm，其中 d 为引线 插孔直 径。对高密度的数字电路，焊盘最小直径可取 Dmin=(d+1.0)mm。 焊盘太小容易在焊接时粘断或剥落。 焊盘的形状有岛形焊盘、圆形焊盘、方形焊盘、椭圆焊盘和灵活设计的焊盘。 4 1 4印制板设计步骤和方法 1. 设计印制板应具备的条件 已知印制电路板板面需要容纳的电路，以及该电路内各种元器件的型号、规格和主要尺寸。 明确各元器件和导线在布局、布线时的特殊要求。如哪些元器件和导线需要屏蔽 ；哪些元器件经常更换和调整；哪些是发热元器件和热敏元器件；各元器件的工作频率和电压大小；电路工作时环境条件 (温度、湿度和冲振要求 )等。 确定印制板在整机 (或分机 )中的位置及其连接形式。 2. 印制板的设计步骤和方法 选定印制板的材料、板厚和板面尺寸。 选择印制板材料必须考虑到基材的电气和机械性能，还要考虑价格和成本。 印制 板的最佳形状为矩形 ， 长宽比为 3： 2或 4： 3。 将几块小的印制板 (矩形的或异形的 )拼成一个大矩形，待装配、焊接后再沿工艺孔裁开，可降低生产成本。印制板的外形尺寸已由 GB9315-88做了规定，常 用系列见表 7.3、表7.4。 表 7.3 印制板尺寸系列 1 单位： mm B 55.55 100 147.45 188.9 233.55 277.80 L 100 160 220 280 340 注：本表尺寸 B、 L 可任意组合。 表 7.4 印制板尺寸系列 2 单位： mm B 50 50 70 70 70 80 80 100 100 L 80 140 140 240 320 100 140 100 160 B 100 120 120 140 140 160 180 200 300 L 200 120 200 160 200 260 220 300 300 注：本表尺寸 B、 L 为一一对应，不可任意组合；带有“ ”是优选尺寸。 设计印制电路板坐标尺寸图。 根据电原理图绘制排版连线图。 排版连接图是用简单线条表示印制导线的走向和元件器件的连接。在排版连接图中应尽量避免 导线的交叉，但可在元件处交叉，因元件跨距处可以通过印制线。 根据排版连线图，按元器件大小比例，画出印制导线照相底图和装配图。 7.2印制电路板的制造工艺及检测 制造印制电路板的工艺方法很多，其工艺过程一般有照相、图形转移、蚀刻、钻孔、孔金属化、表面金属涂覆及有机材料涂覆等工序。但制造工艺基本上分两大类，即减成法 (铜箔蚀刻法 )和加成法 (添加法 )。 4 2 1印制电路板的制造工艺流程 照相底图 照相制版 图形转移 蚀刻 孔的金属化 印制插头的电镀 印阻焊剂、印字符涂覆 (镀 ) 印制板的机械加工 修边 表面涂覆 (镀 ) 1 照相制版 用照相的方法对照相底图拍照以得到照相底片，照相底片 要接比例缩小 (用绘制照相底图相反的比例 )，以得到设计所规定的印制图形尺寸。 2 制电路板的机械加工 印制板的外形和各种用途的孔 (引线孔、中继孔、机械安装孔、定位孔、检测孔等 )都是通过机械加工完成的，随着电子技术的发展其加工尺寸和精度要求越来越高。 3 孔的金属化 对于多层印制电路板，为了把内层印制导线引出和互连，需要将印制导线的孔金属化。孔金属化就是在孔内电镀一层金属，形成一个金属筒，与印制导线连接起来。孔金属化工艺，就是孔内壁表面化学沉铜后再通过全板电镀铜或图形电镀来实现层间可靠的互连。 4 图形转移 图形转移就是将电路图形由照相底片转移到印制板上去。 5 蚀刻 广义上讲，凡是在覆铜箔印制板生产中，用化学或 电化学 的方法去铜的过程都是蚀刻。狭义上讲，蚀刻是将涂有抗蚀剂并经感光显影后的印制电路板上未感光部分的铜箔腐蚀掉，在印制电路板上留下所需的电路图形的过程。 6 印制插头的电镀 如果印制电路板是以边缘印制接触片作为插头插入插座，那么所有导线的输入输出都必须接到印制板边缘的印制插头片上。为了获得尽可能低的接触电阻，要在这些印制插头片上镀金。 7 涂 (印 )阻焊剂、印字符 阻焊剂或称阻焊油墨， 是印制板最外面的“衣服”。它的作用是防止电路腐蚀，防止由于潮湿引起的电路绝缘性能下降，防止焊锡粘附在不需要的部分，防止铜对焊锡槽的污染，保证印制板功能等。 油墨的涂覆的方式有帘幕涂布、丝网印刷、静电涂布、气式喷涂等。 印文字、符号是为了印制板装配和维修方便。它们一般印在阻焊油墨上面，也有的单面板直接印在基材上。 10表面涂 (镀 )覆 如果印制板制造后立即装配，则可不进行表面处理。对只储存一个短时期的印制板，可涂一层助焊性清漆。但最好的方法是在印制导线制成后再进行表面涂覆。 11修边 印制 电路板的最后工序就是修整边缘，以达到所要求的尺寸和公差。修边在高速切割锯，或轮廓加工机 (铣切机 )上进行，有的用冲模进行修边。 4 2 2印制电路板的质量检验 印制板最常见的故障是导体间的短路和导体内的断路、焊盘上阻焊膜配备不良，树脂涂抹移位和电镀通孔开裂等。所以印制板制成后要经过以下几项质量检验，才能组装焊接。 1 目视检验 目视检验是用肉眼检验所见到的一些性能。通常目检能发现的一些缺陷可分为表面缺陷和其它缺陷。 表面缺陷 表面缺陷包括凹痕、麻坑、划痕、表面粗糙、空洞、针孔等。 其它缺陷 焊盘的重合性 检验孔是否在焊盘中心。 导线图形的完整性 测