电子产品开发设计及实践教程课件.ppt

1、第8章 设计中的工程问题本章导读本章导读 本章针对实际设计中的工程问题进行了全面介绍，对电子产品的使用要求、生产要求、气候防护、抗干扰设计、可靠性设计等均作了深入探讨。通过本章的学习，了解产品设计中各项因素的影响，学会综合考虑问题，掌握解决实际问题的原则和方法。v在完成了一件电子产品的方案设计与电路设计后，接下来的工作是产品试制和生产。一件电子产品，除需要达到预期的各项功能、指标外，还涉及到其他若干工程技术问题，如电磁兼容、可靠性等问题。实际上，这也是系统其他方面的性能指标。涉及到的主要内容有：连接电路、测试功能与指标，部件与整体的结构设计，以及在所需工作条件下作运行试验等。这期间会遇到与计算

2、机仿真模拟结果不一致的许多问题，往往要对原方案及电路设计不断作出修改，还要更多考虑到电子产品在以后付诸生产制造时所面临的各种工艺技术问题，乃至日后的使用维护、市场营销等诸多问题。因此可以说，电子产品的工程实现阶段，是处在承前启后的中间地位，是一个理论与实践相结合的实践环节。工程实现的过程涉及较广的知识面，其最终质量，相当大的程度上依赖于研制者的经验、技巧，必须在工程实践中不断学习、总结与积累。制造电子产品的出发点是基于用户的需要。显然，电子产品除了在满足技术性能指标的要求下能正常而可靠地工作外，在设计和制造电子产品时还应满足以下基本要求。8.1 电子产品的使用要求v8.1.1 体积和重量体积和

3、重量在众多的工业产品中，电子产品之所以迅猛发展，并得到广泛的使用，其重要原因之一，便是体积小、重量轻。因此减小电子产品的体积和重量，具有非常重要的意义。在某些情况下，产品的体积和重量起着决定性的作用。例如军用电子设备，减小其体积和重量就直接影响着部队的战斗力和装备使用的灵活性，同时对减少战士体力消耗，提高战斗力有着重要的战术意义。从生产角度考虑也有着不可忽视的经济意义。具体来说有以下几点：1. 产品的用途对体积重量的要求产品的不同用途提出了不同的要求。如普通电子设备要求相对较低，而精工检测设备则要求较严；对固定不动的产品不成问题，对便携移动的产品则非考虑不可。例如人造卫星上用的电子设备，其体积

4、重量有极严格的要求，任何一部分体积增大，就意味着减少其它设备的体积。卫星的重量每增加1，火箭的燃料就多耗费数吨。v2. 运载工具对产品体积重量的要求由于安装各种设备的空间有限和操纵控制的需要，各种运载工具如汽车、坦克、飞机、火箭、舰船等，对电子产品的体积重量有较严格的要求。一般说来，航空设备要求最高，其次是各种车辆，再次是各种舰船。飞行器机舱容积有限，所用的各种电子设备，往往都将分机或部件的体积重量尽可能做得很小，仅把设备的控制和指示部分安装在飞行员的座舱内，其它部分则安装在飞机的各个部位，各部分之间用电缆连接。汽车、坦克用的电子设备的体积要求和空用相似，重量要求则可放宽。舰船则要求更宽。3.

5、 机械负荷对体积重量的要求电子产品工作时，可能会受到各种机械因素的影响。为了减少冲击、碰撞、振动和加速度的破坏作用，减少其体积重量会收到良好的效果。因为当重量减少时其质量也将减小，如果施加的加速度一定，则对产品的破坏力就会减小。4. 经济因素对体积重量的要求减少电子产品的体积和重量，对节省原材料消耗和降低生产费用意义重大，其中的道理是非常明显的。对于生产批量很大的产品，即使产品的体积重量减少很少的一点，其在生产中所降低的费用，也是相当可观的。v各种因素对电子产品体积重量的要求，已如前述。为使电子产品能够满足这些要求，则对表征产品体积重量的指标进行深入地探讨是很有必要的。有关指标如下：v（1）平

6、均比重 产品的总重量与体积之比，称为产品的平均比重。（2）体积填充系数 它表示电子产品结构的紧凑度。定义为：产品内全部零部件、元器件的体积总和与机箱（壳）内部容积的比值。电子产品的平均比重对结构设计有直接的影响。当平均比重为05/dm3时，结构设计不会遇到很大困难；当平均比重为1.51.7/dm3时，结构设计需要精心安排;当平均比重为22.2/dm3时，结构设计需要应用特殊材料(如高强度轻金属合金)、高稳定元器件和采用新工艺、新结构（如多层印制电路板、集成电路和微型元器件等）；当平均比重达到25/dm3时，结构设计将很困难。随着电子产品的平均比重增大，产品的体积填充系数也会提高。目前，一般的电

7、子产品的体积填充系数为01025；结构比较紧凑的电子产品（如采用多层印制电路板和超小型化元器件的产品），其体积填充系数为02504；采用灌封电路的产品，其体积填充系数可达06。v电子产品的紧凑的程度通过平均比重和体积的填充系数来体现。平均比重越高，体积填充系数越大，则产品的紧凑性越高。现代电子产品都希望有较高的紧凑性。但追求紧凑性会产生一系列矛盾，这主要表现在以下几个方面：（1）电子产品温升限制。绝大多数产品（尤其是大功率设备）提高紧凑性时遇到的最大困难是温升问题。如果产品的平均比重增大，则单位体积发热量增加。为了保证产品能正常工作，就需要采用一套冷却系统，而冷却系统本身也具有一定的体积和重量

8、，这样反而提高了产品的总体积和总重量。（2）产品性能稳定程度。随着紧凑性提高，元器件间距变小，将会导致性能不稳，尤其是超高频和高压设备，由于分布电容增大，容易产生自激和脉冲波形变坏。由于元器件之间距离小，还容易产生短路和击穿。（3）组装维修不便。随着平均比重和体积填充系数增大，给生产时的装配和使用时的维护修理带来一定的困难，降低了设备的可靠性。（4）成本上升。紧凑性高的产品，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。8.1.2 操作与控制v电子产品在进行结构设计时必须全面考虑操作性能如何，控制是否方便，这将直接影响到产品的可靠性和用户的满意度。对电子产品的操作与控制

9、方面的要求，随具体产品的不同和使用场所的不同而变化。原则上有如下几点值得注意：1）为使用者创造良好的工作条件。例如，产品不会产生令人厌恶噪声，而且色彩调和给人以好感，其安装位置适当，令使用者精神安宁、注意力集中，从而提高工作质量。2）设备操作简单，能很快进入工作状态，不需要很熟练的操作技术。3）产品安全可靠，保险装置齐备。当使用者发生误操作时，不会损坏设备，更不能危及人身安全。4）控制机构轻便，尽可能减少使用者的体力消耗。读数识别与指示系统清晰，便于观察，且长时间观察也不易疲劳，不会损伤视力。8.1.3 产品维护v电子产品一般属于耐用消费品，使用过程中维护修理是否方便，也是衡量产品性能的一个重

10、要方面。尤其是军用产品更是如此。所以在产品设计时，必须充分考虑维护修理要求。从维护方便的角度出发，对结构设计提出了以下要求：（1）在发生故障时，便于打开维修或能迅速更换备用件。如采用插入式和折叠式结构，快速装拆结构，以及可换部件式结构等。（2）可调元件、测试点应布置在设备的同一面；经常更换的元器件应布置在易于装拆的部位；对于电路单元应尽可能采用印制板并用接插件与系统联接。（3）元器件的组装密度不宜过大，即体积填充系统在可能的条件下应取低一些（一般最好不超过03），以保证元器件间有足够的空间，便于装拆和维修。（4）设备应具有过负荷保护装置（如过流、过压保护），危险和高压处应有警告标志和自动安全保

11、护装置（如高压自动断路门开关）等，以确保维修者安全。（5）设备最好具备监测装置和故障预警装置，能使使用者尽早地发现故障或预测失效元器件，及时更换维修，以缩短维修时间，并防止大故障出现。8.2 电子产品的生产要求v8.2.1 电子产品的生产条件电子产品的生产条件电子产品的生产过程是指产品从研制、开发到推出的全过程。该过程包括设计、试制和批量生产等三个主要阶段。企业的设备情况，技术和工艺水平，生产能力和生产周期，以及生产管理水平等因素，都属于生产条件。产品如要顺利地投产，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，甚至根本无法投产。1. 设计时应考虑的因素：1) 企业的设备情况 电

12、子产品的生产企业应该具备与所生产的产品相配套的、完善的仪器设备，以便于产品的研制开发和批量生产。2)技术和工艺水平 生产企业需配备相关的技术研究人才，能够根据产品的不同特点、需方的不同要求，研制、开发产品，完善产品的性能；还应具有相当的工艺水平，能够根据设计要求，生产出合格的产品。v3)生产能力和生产周期 产品定型后，要进入成批生产阶段。生产企业应具有配套的仪器设备、加工材料、熟练的技术工人和完备的生产程序，生产出符合设计要求的合格产品；同时合理安排各工序，以缩短生产周期，提高生产效率，降低生产成本。4)生产管理水平 在电子产品的制造过程中，科学的管理已成为第一要素。管理不善将出现生产混乱、浪

13、费严重、工序时间拉长，导致生产效率降低，生产成本上升；管理落后，将使产品质量下降，劣质产品充斥市场，破坏企业形象，最终导致企业破产。 v2. 对材料的基本要求任何电子产品在它研制完成之后，都要投入生产。电子产品在生产过程中，对电子元器件等材料的基本要求如下：（1）产品中的零部件、元器件，其品种和规格应尽可能地少，尽量使用由专业厂生产的通用零部件或产品。因为这样便于生产管理，有利于提高产品质量，并降低成本。（2）产品中的零部件、元器件及其各种技术参数、形状、尺寸等，应最大限度的标准化和规格化。还应尽可能采用生产厂以前曾经生产过的零部件，充分利用生产厂的先进经验，使产品具有继承性。v（3）产品所使

14、用的原材料，其品种规格越少越好，应尽可能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）产品中的机械零部件，必须有较好地结构工艺性，能够采用先进的工艺方法和流程。原材料消耗低，加工时间短，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，等等。（5）产品（含零部件）的加工精度要与技术条件要求相适应，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，装配也应尽可能简易化，尽量不搞选配和修配，力求减少装配工人的体力消耗，同时也便于自动流水线生产。8.2.2 电子产品的经济性v电子产品的经济性主要包括

15、两方面的内容：生产经济性和使用经济性。生产经济性是指生产成本。它包括生产准备费用、原材料和辅助材料费用、工资和附加费用、管理费用等。使用经济性包括产品在使用、贮存和运输过程中所消耗的费用。其中维修费所占的比例最大，电源费次之。为了提高产品的经济性，在设计阶段就应充分考虑以下几个方面：（1）正确制定设计方案，研究产品与部件的技术条件，分析产品设计参数，研讨和保证产品性能和使用条件，这是产品经济性的首要环节。（2）根据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，生产批量不同，其生产方式类型也不同，因而其生产经济性也不同。（3）运用价值工程观念，在保证产品性能的条件下，按最经济的

16、生产方法设计零部件，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，以求降低产品的生产成本。（4）全面构思，周密设计产品的结构，使产品具有良好的操作维修性能和使用性能，以降低产品的维修费用和使用费用。8.3 电子产品的散热v电子产品工作时的输出功率往往只占设备输入功率的一部分，其功率损失一般都以热能形式散发出来。实际上电子产品内部任何具有实际电阻的载流元器件都是一个热源。尤其是一些耗散功率较大的元器件，如变压器、大功率晶体管、大功率电阻等。另外，电子产品的温度与周围的环境温度也有密切的联系。当环境温度较高时，电子产品工作时所产生的热能就难以散发出去，将使产品温升提高。由于产品内的元

17、器件都有一定的工作温度范围，若超过其极限温度，就将到引起产品工作环境的改变，缩短使用寿命，甚至损坏。电子产品的热设计，就是根据传热学的基本原理，采取各种散热手段，使产品的工作温度不超过其极限温度，从而保证电子产品在预定的环境条件下稳定可靠地工作。8.3.1 工作温度的影响v1. 温度对变压器、扼流圈的影响一般变压器、扼流圈的允许温度应低于95。温度过高对这两类元件的影响，除降低其使用寿命外，绝缘材料的性能也将下降。2. 温度对半导体器件的影响温度对半导体器件影响最为显著，过高的温度会使器件的工作点发生漂移、增益不稳定、噪声增大、信号失真，严重时引起热击穿。因此，通常半导体器件的工作温度不能过高

18、，如锗管不超过70100；硅管不超过150200。3. 温度对电阻器的影响电阻器在温度升高后会出现使用功率下降，导致其寿命降低。如RTX型碳膜电阻，当环境温度为40时，允许的使用功率为标称值的100%；环境温度增至100时，允许使用功率仅为标称值的20%。另外，温度过高能使热噪声增大。温度变化同样会使其阻值变化，温度每升高或降低10，其阻值大约变化1%。v4. 温度对电容器的影响温度对电容器的影响主要是降低其使用寿命。通常认为，在超过规定允许温度下工作时，温度每升高10寿命降低一半。此外，温度的变化也会引起电容量、功率因素等参数的变化。5. 温度对电子管的影响电子管的玻璃壳温度不得超过1502

19、00。过高的温度使电子管内的吸气剂、各个电极和玻璃壳排放气体，使电子管的真空度下降，影响其工作性能。此外，高温会使玻璃壳产生热应力而损坏，使管内的气体电离，电离后的离子将轰击阴极，破坏其涂覆层，导致发射率下降，加速老化，降低寿命。电子设备工作时的极限温度应以元器件的最低极限温度来要求。考虑到设备的环境温度一般为40+50，所以电子设备工作时，机内的温度一般不超过5080。表8-列出了常用元器件表面的允许温度值。v表8- 常用元器件的允许温度元件名称允许温度（ ）元件名称允许温度（ ）碳膜电阻120薄膜电容60-130碳质电阻150陶瓷电容80-85金属膜电阻100锗晶体管70-100涂釉线绕电

20、阻 225硅晶体管150-200印刷电阻85硒整流器75-85铝质电解电容 60-85电子管150-200电介质电容60-85变压器95云母电容70-120扼流圈958.3.2 热的传导方式v热能总是自发的从高温物体向低温物体传播，热能的传播有三种基本方式：传导、对流和辐射。这三种方式往往同时存在，在考虑电子设备的散热时，可根据具体情况只考虑其中一种或两种主要的，而忽略其次要的。1. 热传导热传导是指热量由物体内部某一部分传递到另一部分，或是两物体相互接触时，由一个物体传给另一个物体。热量是度量热能大小的物理量。热量由热端（高温）向冷端（低温）传递。导热系数是一个表示材料导热能力的物理量。不同

21、材料有不同的导热系数。导热系数越大，说明物体导热性能越好。通常把值小于023 kJ /(mh)的材料称为绝热材料。一些常用材料的导热系数列于表8-2中。v利用热传导散热的主要措施有: (1)选用导热系数大的材料制造导热零件,可降低热阻。如用铜或铝等材料作散热器。(2)扩大热传导零件间的接触面积和压力,接触面应光滑平整。也可在两接触面间涂硅脂,或垫入软金属箔,如铟片、铜箔等措施以降低接触热阻。（3）尽量缩短热传导路径。导热路径中不应有绝热或隔热元件。v表8-2 常用材料的导热系数材料名称试验温度 （）导热系数kJ /(mh)材料名称试验温度 （）导热系数kJ /(mh)银（999%） 20407

22、氧化铍20208-225 铜20372陶瓷基片20125-292铝（纯）20203石英玻璃2013铝合金20164云母2005黄 铜20 99尼龙20017-024碳素钢2053水2006焊 锡2033空气200026v2. 热对流热对流是指在气体或液体中，由于存在温度差、密度差和压力差而流动进行的热量传递。对流有自然对流和强迫对流。热交换发生流体（气体或液体）与高温物体（固体）之间时，热传导与对流同时存在，这种情况称为对流换热。（1）自然对流与强迫对流由于流体运动的原因不同，可分为自然对流和强迫对流两种热对流。自然对流：自然对流是由于冷热流体的密度不同而引起介质自然运动。如空气的对流是因空气

23、受热后体积膨胀，故其密度和比重都要降低，形成了自然对流循环。强迫对流：强迫对流是受机械力的作用（如风力，鼓风机，水泵等）促使流体运动，使流体高速地掠过发热物体（或高温物体）表面。（2）利用对流散热主要措施 加大温差，即降低物体周围对流介质的温度。 加大散热面积，采取有利于对流散热的散热器和安装位置。如将散热器制成肋片、直尾形和叉指形等。 加大对流介质的流动速度，选择有利于对流换热的流体介质，以带走更多的热量。如强迫对流比自然对流的速度高，水比空气的对流散热能力强。v3. 热辐射热辐射是热能以电磁波（红外波段）的形式向外界辐射，传给另一个物体。任何物体都在不断地辐射能量，辐射能射向其它物体后，一

24、般总是部分地被吸收，一部分被反射，另一部分穿透该物体。物体所吸收的那部分能量又辐射到另外物体上，也同样发生吸收、反射和穿透过程。这种能量之间互变现象（热能辐射热能），就是辐射换热的过程。一个物体在热辐射过程中是放热还是吸热，决定于该物体在同一时间内放射和吸收辐射能之差。辐射能量的大小与物体温度的四次方成正比。利用热辐射来散热的主要措施有：（1）在零部件或散热片上涂覆黑色或有色粗糙的漆，以增强辐射能力。对热敏感元件的表面应做成光亮的表面，以减小吸收辐射热。（2）加大辐射体的表面积。（3）加大辐射体与周围环境的温差。8.3.3 整机的散热与防热整机的散热与防热v散热就是利用热的传导、对流和辐射，把

25、电子产品内的热量散发到周围的环境中去。电子产品常用的散热方法有：自然散热，强制风冷，液体冷却，蒸发冷却，半导体制冷，热管传热等。绝大部分热功率密度不大的电子设备，一般都采用自然散热及强迫通风散热。自然散热是指不用外部冷却手段，而是利用发热元件、器件或整机与周围环境之间的热传导、对流及辐射进行散热。强制风冷是利用风机进行鼓风或抽风，以提高设备内空气流动的速度，达到散热目的。一般情况下，电子产品的自然散热有两种热流途径：（1）在封闭式机箱（如图8-（a）所示）里，首先，电子产品内部的热量是通过对流、辐射和传导等传向机壳，然后再由机壳通过对流和辐射将热量散发到周围空气中去，从而使设备达到冷却的目的。

26、v（2）对于敞开式机箱（如图8-（b）所示）而言，电子产品内部的热量，一方面通过传导和辐射给机箱外壳；另一方面，由于机箱外壳开有通风孔，通过机箱内外空气对流和机箱外壳外表面的热辐射将热量传到周围空气中去。通过上述分析可以看出，要改善电子产品的自然散热效果，必须从两方面来考虑：一方面是改善产品内部的电子元器件向机壳的传热能力；另一方面是提高机壳向外界的热传递能力。v1. 机箱（壳）的散热设计电子产品的机箱在自然散热中起着重要作用。它接受设备内部热量，并将其散发到周围空间中去，散热设计应从以下几方面考虑：（1）机壳的材料导热性能要好，以加强机箱内外表面的热传导。可选择导热性好的金属（如用铝合金）材

27、料来做机壳，这是因为机壳内部的热量可以通过内部的金属结构件传导给机壳，再由机壳以热辐射和热对流的形式传给周围空间。（2）合理设计机壳表面的形状，增强热辐射能力。为了提高机壳的热辐射能力，宜采用粗糙表面，并涂覆无光泽漆，其色彩可根据需要选择。例如黑色皱纹漆，其热辐射效果最好。（3）开通风孔，加强对流散热能力。在机壳上合理地开通风孔，可以显著地加强气流的对流换热作用。通风孔的位置可开在机壳的顶部和底部及两侧面。两侧通风孔的位置应注意防止气流短路而影响散热效果。通风孔的位置一定要对准发热元件，使冷空气起到直接冷却元件的作用。通风口的进出口开在温差最大的两处，并且进风口要尽量低，出风口尽量高。v图8-

28、2所示的是常见的几种通风孔的形式。冷空气经过机壳下部的通风孔进入机箱，经发热元件吸收热量，被加热后的空气通过机壳上部的通风孔流出，如此循环，达到散热的目的。图8-2（a）所示之孔为冲压而成，制造简单，但灰尘容易进入设备内部。在孔比较大时，可用金属丝纺织的网格盖住，而金属网用框子固定在外壳孔的边缘上，如图8-2（b）所示。冲制百叶窗是目前应用最广泛的一种，如图8-2（c）所示。因为百叶窗可以防止灰尘直接落入设备内，并且可以提高机壳的强度。v2. 产品内部电子元器件的散热电子产品内部的热源主要是一些发热电子元器件，如变压器、扼流圈、电阻、电子管、晶体管、可控硅以及集成电路等。v（1）变压器 变压器

29、主要靠传导散热。如果变压器不加屏蔽罩，则铁芯与支架、支架与固定面应有良好的接触，使其热阻最小。对于加屏蔽罩的变压器，除要求外罩与固定面良好接触外，可将变压器在固定面上用支架垫高，并在底板上开通风孔，使气流形成对流，如图8-3所示。v（2）电阻 电阻的温度与其型式、尺寸、功率损耗、安装位置以及环境温度等因素有关。电阻一般是通过固定连接片或引线两端的传导以及本身的的辐射、对流进行散热的。电阻表面常涂覆无光泽的粗糙漆，放置的位置应便于对流散热，并加大与其他元件之间的距离。v（3）晶体管 对于功率小于100mW的晶体管，一般可不加散热器，靠其管壳及本身引线的对流、辐射和传导散热。至于大功率晶体管则应采

30、用散热器。 v（4）电子管 不带屏蔽罩的电子管，其传热的主要方式是对流和辐射，而导热是次要的。带屏蔽罩的电子管散热条件要差些，一般在罩的顶部开孔作为出风口，在罩的下部与玻璃壳间有气隙孔作为进风口，形成自然对流，使管子散热。v（5）集成电路 对于一般集成电路的散热，主要依靠其外壳及引出线的对流、辐射和传导散热。如图8-4所示。当集成电路的热流密度超过06W/cm2时，应装散热装置，以减小管壳与周围环境的热阻。v3. 防热措施1）合理布置元器件（1）在布置元器件时，元器件与元器件间、元器件和结构件之间应保持一定距离，以利空气的流动，增强对流传热。一般可参考下面几种关系：对邻近的两垂直发热表面，如图

31、8-5（a），d/L=025；对邻近的垂直发热表面与冷表面，如图8-5（b），dmin=25mm；对邻近的水平发热圆柱体和冷的上表面之间；如图8-5(c)，d/D=085；v对邻近的水平发热圆柱体和冷的垂直表面之间，如图8-5(d)，d/D=07；对邻近的水平发热圆柱体和冷的水平平底面之间，如图8-5(e)，d/D=065。 v（2）在印制板上安装各种半导体器件时，应注意将功率大、发热量大的晶体管和集成电路放在气流的上游（入口处），将功率小、发热量小的晶体管和集成电路和在气流的下游（出口处），这样可使整个印制板上元件的温度较为均匀。（3）在布置元器件时应将不耐热的元件（如电解电容器）放在气流的

32、上游，而将本身发热又耐热的元件如电阻、变压器等放在气流的下游。（4）对热敏感元件，在结构上可采用“热屏蔽”方法来解决，如图8-6所示，采用热屏蔽能使设备内部造成温差，形成热区和冷区。v2）合理安排印制板 对印制板的位置排列，如设备内只安排一块印制板，无论印制板水平放置还是垂直放置，其元器件温升区别不大。如设备内安排几块或几十块印制板，这时应垂直并列安装，每块印制板之间的配置间隔保持30mm以上，以利于自然对流散热。为了提高印制电路板的散热能力，可在印制板和元器件之间设置导热条，以强化传导散热。图8-7是在集成电路的主体垫上铜或铝的带状导热条，以减小管壳与周围环境的热阻。也可在多层印制板的表面留

33、出较宽的条形铜箔作为导热用。为了降低元件与导热条之间的热阻，可在其接触面间涂覆硅脂。v3）合理安排机箱内的结构件（1）应合理地布置机箱进出风口的位置，尽量增大进出风口之间的距离和它们的高度差，以增强自然对流。图8-8（a）表示进出风口位置不当，有一部分空间不能内外对流，使局部散热不好。（2）对于大面积的元器件应特别注意其放置位置，如机箱底的底板、隔热板、屏蔽板等。若位置安排不合理，可能阻碍或阻断自然对流的气流。图8-8（b）所示为固定印制板电路板采用的“空格式”结构，用金属条支持印制板插座，具有流动阻力小，机械强度高等优点。而图8-8（c）为大面积底板挡住了机箱底部的通风孔，使空气不得不拐弯并

34、流过较长的路径，这对自然对流很不利。v4. 强制风冷强制风冷是利用风机进行抽风或鼓风，以提高设备内空气流动速度，达到散热的目的。强制风冷适用于中、大功率的电子设备，因其结构简单，费用低，维护方便等优点，所以它是目前应用最多的一种强迫冷却方法。强制风冷有抽风冷却和鼓风冷却两种基本形式。（1）抽风冷却 抽风冷却分有风管和无风管两种形式，如图8-9所示。抽风冷却主要适用于热耗散比较分散和整机。热量经专门的风道或直接排到设备周围的大气中。抽风的特点是风量大，风压小，各部分风量分布比较均匀。抽风机常装在机柜顶部或机柜两侧，其出风口也在此处并面对大气。进风口在机柜的下部，进风口应装滤尘器。无风管的抽风系统

35、多用于机柜内各元件冷却表面风阻较小的设备。当各单元有热敏感元件时，为防止上升气流流过热敏感元件，就需用专用的抽风管道。此时，上下各单元互不通气，气流方向如图8-9（b）所示，进风口开在机柜两侧，并装防尘器。v（2）鼓风冷却 鼓风冷却可分为有鼓风管道和无鼓风管道两种，如图8-10所示。鼓风的特点是风压大，风量比较集中。适用于各单元需要有专门风道冷却，风阻较大、元件较多的情况下。图8-10（a）为有风管形式，这样便于控制各单元的风量。图8-10（b）为无风管形式，适用于在底层内具有风阻较大的元件，中上层无热敏元件的情况。除了强制风冷散热以外，对于一些特殊需要的电子设备还可以采用液体冷却、蒸发冷却、

36、半导体致冷和热管装置散热，可根据需要加以选择，读者可参考其他资料。8.3.4 安装散热器的注意事项安装散热器的注意事项v在进行热设计时，对功率较大的半导体器件，如大功率三极管、硅整流二极管、单向晶闸管、双向晶闸管、稳压集成电路、各种大功率模块等，必须认真地考虑其散热问题。半导体器件在工作时要靠散热的方法来降低其温度。对中、小功率晶体管来说，由于其功率消耗很小，一般靠它的外壳散热就可以了。而对于大功率晶体管而言，由于有大量的电流流过集电结，会产生较多的热量，因此必须采用散热措施，常用的方法是把晶体管安装在散热器上，以利于自然对流与辐射换热。散热器一般用导热性能良好的铜、铝等金属制成，表面涂黑，晶

37、体管装上散热器后，热阻大大降低，最大允许集电极功耗显著增加，一般可增大5倍以上，所以在输出功率大于1W时，晶体管总是要装上适当的散热器。v1. 散热器的形式散热器的形式很多，常见的有平板型散热器、铝型材散热器、叉指形散热器等。（1）平板型散热器 平板型散热器（俗称散热片）是最简单的一种散热器，如图8-11（a）所示。它由153mm厚的金属薄板制成，一般多为正方形或长方形的铝板或铝合金板。对于一些中、小功率的晶体管，可以直接安装在金属板上进行散热。若要使所占的空间较小，则大多垂直安装，而且垂直安装的热阻比水平安装要小。（2）铝型材（平行筋片）散热器 铝型材散热器是铝合金挤压成型的具有平行筋片的铝

38、型材做成的散热器，如图8-11（b）所示。这种散热器在较大的耗损功率PC下具有较小的热阻RTf又，因而其散热能力强，一般用于大、中功率晶体管的散热器。（3）叉指型散热器 叉指形散热器是用铝板冲制而成的，如图8-11（c）所示。这种散热器制作工艺简单，结构形式多样，可作为中、大功率晶体管的散热用。v目前，平行筋片散热器和叉指形散热器已标准化（参见SJ1266-77），并被广泛使用。有关散热器的型号和结构尺寸，请参阅半导体器件用散热手册。v 2. 散热器安装注意事项（1）散热效果好坏与安装工艺有密切关系，安装时应尽量增大功率器件与散热器的接触面积，降低接触热阻，提高传热效果。（2）在半导体功率器件

39、工作时实际结温小于最大结温的情况下，应尽量选用体积小、重量轻的规格。（3）如果要把接触热阻降得低一些，安装时可在功率器件与散热器之间加一层薄的导热硅脂，可以降低热阻25%30%。（4）安装时需要在半导体器件与散热片之间垫导电或绝缘垫片时，必须采用低热阻材料，如紫铜箔、铝箔，或薄云母片、聚酯薄膜等。（5）安装一只半导体器件（如一只金属壳封装的7812三端集成稳压器）时，其安装孔（或一组孔）应该设置在散热器基面的中心，即L/2位置；当安装两只或两只以上半导体器件时，其安装孔（或组孔）的位置，应该认定在散热器基面中心线均等位置上。v（6）半导体功率器件与散热器安装好后，不宜再对半导体功率器件或散热器

40、进行机械加工或整形，否则极易使它们变形，增加接触热阻。紧固散热器时应保证螺钉扭力一致。（7）单面肋片式散热器适于在电子装备的外部（如安装在机箱外部）作自然风冷。这有利于半导体功率器件的通风散热，又可降低机内的温升。通常将它们安装在机箱后面。（8）采用自然冷却时，应使散热器的断面垂直于水平面方向；采用强制风冷时，应使气流向平行于散热器的肋片方向。（9）当半导体功率器件需要绝缘时，应尽可能不用在管壳下垫绝缘片的办法，而采取在散热器与机架（底座）间绝缘的方法。（10）采用铝型材散热器时，应注意长度与宽度要配合得当，以便于电子装置的总体安排。8.4 电子产品的气侯防护v在生产、储运和使用过程中，电子产

41、品会受到各种环境和气候的影响。温度、湿度、气压及空气中的各种化学物质等因素将使设备的结构、材料遭受腐蚀、老化及霉烂等不同程度的破坏，从而引起设备内元器件、零部件的性能变化，绝缘程度下降，甚至发生漏电、短路、直至完全失效。v8.4.1 气侯防护的要素气侯防护的要素由于电子设备的使用环境和工作条件极为复杂多样，为减少和避免环境气候对电子产品的影响，必须考虑以下三个方面：（1）合理的选用防护材料这是从根本上提高设备内元器件、零部件抗气候因素影响能力的办法。例如选用耐蚀性良好的金属和非金属（包括油漆漆膜）材料，耐湿性高的绝缘材料以及化学稳定性好的材料等。当然在选用材料时，还会受到一些其它条件的约束，如

42、强度、电气、加工性能和经济性等。因此必须综合考虑各方面因素，选用较理想的材料来制造元器件及零部件。v（2）采用恰当的防护方法对电子设备的整机、元器件、零部件、机壳以及有机与无机绝缘材料等，采用相应的化学和电化学防护方法，可以提高它们抗各种气候因素影响能力。化学和电化学防护方法的选择，与设备、元器件、零部件所采用的材料和使用环境有关。通常的防护方法有：电镀、油漆、化学涂覆等。对于一些在湿热地区或其它特殊气候条件下使用的设备，必须采用一些特殊的防潮湿、防盐雾、防霉菌等化学防护方法。v（3）采取相应的结构措施密封是防止潮湿及其他腐蚀性介质长期影响的的效办法。对于长期工作在恶劣气候条件下和气压很低条件

43、下的电子设备可采用各种密封结构。例如全自动洗衣机的程控电路板在完成焊接组装之后，用透明树脂胶密封，可以较好的起到防潮作用；有的设备机壳采用密封结构，把设备或分机、部件，密闭在外壳内部，使之与外界空气永久地或在一定时间内隔绝，因而防护较为彻底。v对电子产品影响较大的不利因素有潮湿、盐雾、霉菌以及气压、污染气体等，其中潮湿的影响是最主要的。特别是在低温高湿条件下，使空气湿度达到饱和而使机内元器件、印制电路板上产生结露现象，使电性能下降，故障率上升。对库存设备、闲置设备或周期性停机（例如一班制工作方式）设备的开机通电更容易发生不良现象。潮湿能加速金属材料的锈蚀，在有盐雾和酸碱等腐蚀性物质的空气作用下

44、，金属的腐蚀更加严重。在一定温度下，潮湿能促使霉菌的生长，并引起非金属材料霉烂。因此，防潮湿、防盐雾、防霉菌三者紧密相关，在工艺上应同时进行考虑，习惯上我们称之为防护“三要素”。8.4.2 潮湿的防护v电子设备防潮的主要目的，就是在生产、储存、运输及使用（存放）过程中，确保各个元器件、零部件和整个产品的工作能力。受到潮湿空气侵蚀的电子产品，在其元器件或材料表面会凝聚一层水膜，并逐渐渗透到材料内部，从而造成绝缘材料表面电导率增加，体积电阻率降低，介质损耗增加，导致零部件电气短路、漏电或击穿等。潮气还能引起覆盖层起泡甚至脱落，使其失去保护作用。潮气的侵入会引起电子器件发生下列故障：电阻器额定值逐渐

45、增大或减小，直到电阻器断路或短路。电容器增大电极回路内的电阻或造成短路，增大电容量、损耗和漏电，出现极板短路，降低击穿电压。半导体器件会引起双极型器件反向电流和增益的漂移；引起场效应管的开启电压、沟道电流和跨导的漂移。v上述种种变化的结果，必然会降低参数的可靠性或增大偶然失效的几率。参数可靠性的降低，将导致信号失真到使电子设备不能完成其正常功能。偶然失效几率的增大会缩短设备的平均故障间隔时间，增加设备的维护成本。严重时会导致电子设备失效甚至报废。潮湿对结构材料（金属和介质）的作用也会降低可靠性。使有机材料的介电常数和损耗增大，降低了体电阻、绝缘强度和机械强度。使无机材料表面上所凝结或吸附的潮湿

46、相互作用，出现与腐蚀相联系的现象。潮气对结构材料作用的结果，可能改变部件的参数；由于介质固有电容和损耗的增大而降低电感的品质因素；增大交叉干扰电平；降低电气安装的接触电阻等。防潮湿的措施很多，常用的方法有浸渍、灌封、密封、涂覆、干燥剂等。v1. 浸渍将需处理的元件或材料浸入不吸湿的绝缘漆中，经过一定时间使绝缘液体进入元件或材料的小孔、缝隙和结构件的空隙，这种方法就是浸渍。通过浸渍，可以提高元件或材料的防潮湿性能和其它性能。浸渍主要用于线绕产品（变压器、电感线圈等）。浸渍时，空隙和气孔被填满，同时在绕组表面形成绝缘层。由于浸渍的结果，提高了电强度和机械强度，以及因排挤出热导率低的空气而改善了线绕

47、部件的导热性。浸渍有一般浸渍和真空浸渍两种方法。一般浸渍就是在大气压下进行浸渍处理，真空浸渍则是在具有一定真空度的密闭容器中进行浸渍处理。真空浸渍的效果好于一般浸渍，常用于一些关键元器件的防潮湿处理。常用的绝缘材料有以下几种。（1）酚醛绝缘漆 常用的如1031丁基酚醛醇酸漆，它的流动性和干透性良好，漆膜的耐热耐潮和介电性能较高，可供线圈浸用，但机械强度较差。若用它作防霉覆盖层时，应加05%的酸性硫柳汞防霉剂。v一般零部件用高频酚醛清漆浸渍。高频酚醛浸渍又称胶木化。胶木化就是将零件预热到100清除潮气，然后趁热浸渍，最后在120烘干。零件胶木化后，强度提高，耐热性好，但变得硬而脆。若要求较高时，

48、胶木化可进行真空浸渍。由于胶木化的固化温度较高，故丝纱包线的线圈不宜作胶木化处理。 v（2）环氧脂无溶剂绝缘烘漆 如H30-1环氧脂无溶剂绝缘烘漆，具有良好的附着力、耐油性和柔韧性也较好，可作为高强度漆包线、玻璃丝包线绕制的线圈和变压器真空浸渍材料。v（3）三聚氰胺醇酸绝缘漆 如1032三聚氰胺醇酸漆，其热固化性好，漆膜的附着力强，并具有较高的耐热耐潮和介电性能。可作为工作于湿热地带的线圈、玻璃布层压制品和塑料表面的浸渍漆。v（4）有机硅聚脂浸渍漆 如1050有机硅浸渍漆，具有良好的热固性和浸渍能力，漆膜具有高的耐热、耐寒和介电性能，供长期工作温度为180下和短期工作温度为250300的电器线

49、圈作浸渍用。浸渍剂的选用取决于对元件或材料提出的要求，通常浸渍剂应具有良好的渗透能力、化学中性、表面硬化能力强、良好的附着能力，优良的导热性和耐热、耐冷性。v2. 灌封灌封在元器件本身或元器件与外壳间的空间或引线孔中，注入热溶状态的树脂、橡胶等有机绝缘材料，冷却后自行固化封闭，形成一个与外界完全隔绝的独立的整体。灌封除可保护电子元件避免潮湿、腐蚀外，尚能避免强烈震动、冲击及剧烈温度变化等对电子元件的不良影响，以提高抗张强度。但此法多适用于小型的单元，部件及元器件，如小型变压器、密封插头、固体电路，微膜组件及集成电路等。常用的灌封材料有环氧树脂、石蜡、沥青、不饱和聚酯、有机硅橡胶及有机硅凝胶；对

50、于小型变压器及高压插头等元件宜用环氧树脂，以提高防潮性能。环氧树脂有高温固化和室温固化两种。高温固化的灌封防湿性能好，且强度较高，但其收缩率较大，对线圈的电感L和Q值影响大；室温固化的灌封收缩率较小，对线圈的电感L和Q值影响小，但防潮性能和灌封温度稍差。线圈（如中周、微调电感、滤波器等）常用聚乙烯醇缩丁醛胶来防潮和固定。目前采用有机硅橡胶、有机硅凝胶等灌封材料，亦能起到防护电子设备免受潮湿、霉菌、盐雾、臭氧、灰尘的侵蚀，并能起防震、防冲击的作用。 v3. 密封防止潮湿最为有效的办法是密封。密封不仅可以防潮，还可以防水、防低气压、防盐雾、防灰尘。密封就是将元器件、零部件或一些复杂的装置，甚至整机