第4-2工艺可靠性设计

1、4.5 电子设备的热防护措施1、电子设备的热防护n 温度是影响电子设备可靠性最广泛的一个因素。电子设备工作时，其功率损失一般都以热能形式散发出来，尤其是一些耗散功率较大的元器件，如电子管、变压器、大功率晶体管、大功率电阻等。另外，当环境温度较高时，设备工作时产生的热能难以散发出去，将使设备温度升高。 n温度与可靠性的关系温度与可靠性的关系n失效率随温度的增加而指数上升n电性能参数（增益，耐压，漏电流，功耗）是温度的函数n热设计的目的热设计的目的n减少器件的发热量n减少器件的热阻n改善器件的散热条件n热设计影响因素热设计影响因素n元器件本身的发热n元器件耐热和对热的敏感程度n与周围环境的换热n热

2、设计要点热设计要点n自然冷却、风冷、水冷n发热量小或耐热性差的器件置气流入处，发热量大或耐热性好的器件置气流出口处n大功率器件靠边、靠上n温度敏感器件置于设备最低温度处，远离发热元件2、热设计的目的3、热分析、热设计热分析、热设计的概念热分析、热设计的概念n热分析：获得产品的温度分布n热设计：采取相应的温度控制措施，控制电子设备的温度 原因与目的原因与目的n电子产品可靠性对温度是非常敏感n提高可靠性热分析的内容与手段热分析的内容与手段n温度n计算热测热设计的方法热设计的方法n电路板布局n散热措施3、热分析、热设计原因和目的原因与目的原因与目的n电子产品可靠性对温度是非常敏感，如图所示，但温度生

3、高时，器件故障率迅速增大；电路板变形n合理温度布局，控制温度，提高可靠性3、热分析、热设计热分析的内容与手段热分析的内容热分析的内容n结点温度：元器件PN结温度，一般是元件的最高温度；n壳温度：元器件的壳的外表面的温度；n电路板温度：连续的二维温度分布，各点的温度是厚度方向的平均值；n电路板温度梯度：沿着长度方向的温度变化率，也是二维的； 热分析手段热分析手段n计算：解析法（传热方程的解析解）和数值法（利用计算机求解温度分布，如BETAsoft-Board软件）； n热测设备测量3、热分析、热设计热设计的方法电路板布局电路板布局n在满足约束条件下，合理元器件布局，将功率大的器件分散放置，减少或

4、消除热应力集中点，从而降低温度；散热措施散热措施n散热原理n热传导、热对流、热辐射n热设计n元器件温度控制：热降额、导热胶、冷板设计n电路板：使用耐热高的印刷板，增加厚度利于导热和自然散热n机箱：自然冷却、强迫风冷、冷板设计、散热器3、热分析、热设计示例(热分布)3、热分析、热设计示例示例( (温度梯度分布温度梯度分布) )返回n4. 电阻器的散热措施n1) 温度对电阻器的影响n 温度升高会使电阻使用率下降，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，温度过高能使噪声增大。温度变化同样会使

5、阻值变化，温度每升高或降低10，其阻值大约变化1%。 n2) 电阻器散热的一般方法n电阻的温度与其形式、尺寸、功率损耗、安装位置以及环境温度等因素有关。一般情况下，电阻是通过引出线的传导和本身的对流、辐射来散热的。电阻器散热的一般考虑有：n(1) 大功率电阻器应安装在金属底座上，以便散热。n(2) 不许在没有散热的情况下，将功率电阻器直接装在接线端或印制板上。n(3) 功率电阻器尽可能安装在水平位置。n (4) 引线长度应短些，使其和印制电路板的接点能起散热作用；但又不能太短，且最好稍弯曲，以允许热胀冷缩。如用安装架，则要考虑其热胀冷缩的应力。n (5) 当电阻器成行或成排安装时，要考虑通风的

6、限制和相互散热的影响，并将其适当组合。n (6) 在需要补充绝缘时，需考虑散热问题。n5. 半导体分立器件的散热措施n1) 温度对半导体分立器件的影响n 半导体器件对温度反应很敏感，过高的温度会使器件的工作点发生漂移、增益不稳定、噪声增大和信号失真，严重时会引起热击穿。因此，通常半导体器件的工作温度不能过高，如锗管不超过70100；硅管不超过150200。表2.4列出了常用元器件的允许温度。 表1 常用元器件允许温度n2) 半导体分立器件散热的一般考虑n(1) 对于功率小于100mW的晶体管，一般不用散热器。n(2) 大功率半导体分立器件应装在散热器上。n(3) 散热器应使肋片沿其长度方向垂直

7、安装，以便于自然对流。散热器上有多个肋片时，应选用肋片间距大的散热器。n(4) 半导体分立器件外壳与散热器间的接触热阻应尽可能小，应尽量增大接触面积，接触面保持光洁，必要时在接触面上涂上导热膏或加热绝缘硅橡胶片，借助于合适的紧固措施保证紧密接触。n (5) 散热器要进行表面处理，使其粗糙度适当并使表面呈黑色，以增强辐射换热。n(6) 对于热敏感的半导体分立器件，安装时应远离耗散功率大的元器件。n(7) 对于工作于真空环境中的半导体分立器件，散热器设计时应以只有辐射和传导散热为基础。n3) 散热器n 常用的散热器大致有：平板形、平行肋片形、叉指形、星形等，如图1 (a)(d)所示。 (a)(b)

8、(c)(d)图1 散热器形状(a) 平板形；(b) 平行肋片形；(c) 叉指形；(d) 星形n6. 变压器的散热措施n1) 温度对变压器的影响n 温度对变压器的影响除降低其使用寿命外，绝缘材料的性能也将下降。一般情况下，变压器的允许温度应低于95。n2) 变压器散热的一般考虑n (1) 不带外罩的变压器，要求铁心与支架、支架与固定面都要良好接触，使其热阻最小。n (2) 对有外罩的变压器，除要求外罩与固定面良好接触外，可将其垫高并在固定面上开孔，形成对流，如图2所示。n (3) 变压器外表面应涂无光泽黑漆，以加强辐射散热。图2 变压器的散热n7. 集成电路的散热措施n 集成电路的散热，主要依靠

9、管壳及引线的对流、辐射和传导散热，如图3所示。当集成电路的热流密度超过0.6 W/cm2时，应装散热装置，以减少外壳与周围环境的热阻。传导集成电路辐射对流焊点印制板图3 集成电路的散热n 8. 电子设备整机的散热措施n 1) 机壳自然散热n 机壳是接受设备内部热量并将其散到周围环境中去的机械结构。机壳散热措施一般考虑如下：n (1) 选择导热性能好的材料做机壳，加强机箱内外表面的热传导。n (2) 在机壳内、外表面涂粗糙的黑漆，以提高机壳热辐射能力。n (3) 在机壳上合理地开通风孔，以加强气流的对流换热能力。n 图4为常见的通风口形式。图(a)为最简单的冲压而成的通风孔；图(b)为通风孔较大

10、时用金属网遮住洞口的形式；图(c)为百叶窗式通风孔。 ( a )( b )( c ) (a)(b )(c)图 4 散热器通风口形式 n4.6 印制板的热设计n 从有利于散热的角度出发，印制板最好是直立安装，板与板之间的距离一般不要小于2 cm，而且元器件在印制板上的排列方式应遵循如下规则：n(1) 对于采用对流空气冷却方式的设备，最好是将集成电路(或其他元器件)按纵长方式排列，如图5(a)所示；对于采用强制空气冷却(风扇冷却)的设备，则应按横长方式排列，如图5(b)所示。(a)(b)图5 集成电路在印制板上的排列(a) 纵长排列；(b) 横长排列n(2) 在同一块印制板上安装半导体器件时，应将

11、发热量小或不耐热的元器件(如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等)放在气流的入口处，将发热量大或耐热好的元器件放在气流的出口处。 图6 元器件布局尽量均匀，使得散热均匀、温度均匀PCB热设计散热均匀化PCB热设计降低最高温度n (3) 在水平方向上，大功率器件应尽量靠近印制板边沿布置，以便缩短传热途径；在垂直方向上，大功率器件应尽量靠近印制板上方布置，以便减小这些器件工作时对其他元器件温度的影响。n (4) 温度敏感器件最好安置在温度最低的区域(如设备底部)，不要将它放在发热元器件的正上方，多个器件最好是水平交错布局。也可采用“热屏蔽”方法达到热保护作用。n内部结构的合理布局n 由于设备内

12、印制板的散热主要依靠空气对流，因此在设计时要研究空气流动途径，合理配置元器件或印制电路板。具体措施有：n (1) 要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高度差，以增强自然对流。n (2) 对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，则可能阻碍或阻断自然对流的气流。n(3) 在印制板上进行元器件布局时，要避免在某个区域留有较大的空域。如图7(a)所示，冷却空气大多从此空域中流走，造成散热效果大大降低。如图7(b)所示，冷却空气的通路阻抗均匀，散热效果得到了改善。整机设备内有多块印制电路板的情况也应注意同样的问题。不用器件空气流(

13、b)空气流(a) 图7 元器件的布局(a) 较差布局；(b) 较好布局n4) 强制风冷n 强制风冷是利用风机进行鼓风或抽风，提高设备内空气流动的速度，增大散热面的温差，达到散热的目的。强制风冷的散热形式主要是对流散热，其冷却介质是空气。强制风冷是目前应用最多的一种强制冷却方法。n实例 集成电路在印制板上的排列方式对其温升的影响。n 图8给出了大规模集成电路(LSI)和小规模集成电路(SSI)混合安装情况下的两种排列方式。LSI的功耗为1.5 W，SSI的功耗为0.3 W。实测结果表明，图8(a)所示排列方式使LSI的温升达50，而图8(b)所示排列方式使LSI的温升为40，显然采纳后一种排列方

14、式对降低LSI的温升更为有效。SSILSI3028502018空气流(a)空气流(b)3027252340图8 集成电路的排列方式对其温升的影响n4.7 电子设备的气候防护n 潮湿、盐雾、霉菌以及气压、污染气体对电子设备影响很大，其中潮湿的影响是最主要的。特别是在低温高湿条件下，空气湿度达到饱和时会使机内元器件、印制电路板上产生凝露现象，使电性能下降，故障上升 n1. 潮湿的防护n电子设备受到潮湿空气的侵蚀，会在元器件或材料表面凝聚一层水膜，并渗透到材料内部，从而造成绝缘材料的表面电导率增加，体积电阻率降低，介质损耗增加，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

15、护作用。n防潮湿的措施很多，常用的方法有浸渍、灌封、密封等。n1) 浸渍n 浸渍是将被处理的组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组件或材料的小孔、缝隙和结构件的空隙，从而提高组件或材料的防潮湿性能和其他性能。n2) 灌封n 灌封是用于热溶状态的树脂、橡胶等将电器组件浇注封闭，形成一个与外界完全隔绝的独立的整体。 n3) 密封n 密封是防止潮湿长期影响的最有效的方法。密封是将零件、元器件、部件或一些复杂的装置甚至整机安装在不透气的密封盒内，这种防潮手段属于机械防潮。n n2. 盐雾和霉菌的防护n1) 盐雾的防护n 盐雾主要发生在海上和近海地区，因盐碱被风刮起或盐水蒸发而形成

16、的一种带有盐分的雾状气体。 n 盐雾的防护方法主要是：在一般电镀的基础上进行加工，即严格电镀工艺，保证镀层厚度，选择适当的镀层种类；采用密封机壳或机罩，使设备与盐雾环境隔开；对关键组件进行灌封或加其他密封措施。n2) 霉菌的防护n 霉菌是指生长在营养基质上而形成绒毛状、蜘网状或絮状菌丝体的真菌。霉菌种类繁多。 n电子设备的霉菌防护方法有以下几种：n (1) 控制环境条件。 n (2) 密封防霉。 n (3) 使用防霉剂。n (4) 使用防霉材料。 n3. 金属的防腐n 电子设备中大量应用到金属材料，金属材料会和周围腐蚀介质发生化学或电化学作用，从而导致金属的腐蚀。 n金属防腐蚀措施如下：n(1

17、) 选择合适的材料。金属材料的耐蚀性能与所接触的介质有密切的关系。选材时，首先要知道腐蚀介质的种类、腐蚀强度、PH值以及影响腐蚀性的诸如环境温度、湿度变化情况等各种因素。 n (2) 采用表面涂覆方法。表面涂覆是电子设备最常用的金属防腐蚀方法。表面涂覆就是在零件表面涂覆一层金属或非金属覆盖层。根据构成覆盖层的物质不同，可将覆盖层分为三类：金属覆盖层(电镀)、化学覆盖层(金属氧化物)和涂料覆盖层。n4.8 电子设备的电磁防护n 屏蔽就是用导电或导磁材料制成的以盒、壳、板和栅等形式，将电磁场限制在一定空间范围内，使电磁场从屏蔽体的一面传到另一面时受到很大的衰减，从而抑制电磁场的扩散。根据屏蔽抑制功

18、能的不同，可分为电屏蔽、磁屏蔽和电磁屏蔽。n 电屏蔽即静电或电场的屏蔽，用于防止或抑制寄生电容耦合，隔离静电或电场干扰。电屏蔽最简单的方法是在感应源和受感器之间加一块接地良好的金属板，把感应源的寄生电容短接到地，达到屏蔽的目的。n 磁屏蔽用于防止磁感应，抑制寄生电感耦合，隔离磁场干扰。n 电磁屏蔽用于防止或抑制高频电磁场的干扰。n1. 元器件防静电措施n 半导体器件在制造、存贮、运输及装配过程中均可能因摩擦而产生静电电压，当器件与这些带电体接触时，带电体就会通过器件引脚放电，引起器件失效。如MOS器件、双极器件和混合集成电路等器件对静电放电损伤敏感。n 以对静电敏感的CMOS集成电路为例，在电

19、路设计及印制板设计时，应注意以下几点：n (1) 不使用的输入端应根据要求接电源或接地，不得悬空。n (2) 作为线路板输入接口的电路，其输入端除加瞬变电压抑制二极管外，还应对地接电阻器(阻值一般取0.21 M)。n (3) 当电路与电阻电容组成振荡器时，电容器存贮电荷产生的电压可使有关输入端的电压瞬时高于电源电压。 n(4) 作为线路板输入接口的传输门，每个输入端都应串接电阻器(阻值取50100)。n(5) 作为线路板输入接口的逻辑门，每个输入端都应串接电阻器(阻值取100200)。n(6) 作为线路板输入接口的应用部位，应防止其输入电位高于电源电位(先加信号源，后加线路板电源，就可导致这一

20、现象发生)。n2. 导线的屏蔽n1) 印制导线屏蔽n 单面印制板在信号线之间设置接地的印制导线可以起屏蔽作用，如图9(a)所示。双面印制板，除在信号线之间设置接地线以外，其背面铜箔也接地，增强了屏蔽作用，如图9(b)所示。信号线地线信号线地线(a)信号线地线 信号线(b)图9 印制板的屏蔽线n 2) 高频导线(同轴射频电缆)的屏蔽n 高频导线的屏蔽主要是在其外面套上一层金属丝的编织网，中心是芯线，金属网是屏蔽层，芯线和屏蔽层之间衬有绝缘材料，屏蔽层外还有一层绝缘套管。n (1) 高频高电平导线的屏蔽。对于高频高电平导线，屏蔽的作用主要是防止其干扰外界。导线接入电路时，只要将屏蔽层在一端接地，则中心导线信号电流在屏蔽层上感应出的电荷就被释放到地，在屏蔽层外部没有电场。一端接地的方法具有有效的电场屏蔽作用，如图10所示。屏蔽层电场磁场UZUZ图10 屏蔽体一端接地的电场屏蔽作用n 如果屏蔽层两端接地，则使屏蔽层通过地能够得到一个与中心线电流方向相反的电流。两电流产生的磁场互相抵消，使在屏蔽层的外面没有磁场辐射，从而起到磁屏蔽作用，如图11(a)、(b)所示。n (a)(b)I1IsIgABR1图11 屏蔽体上有电流时的屏蔽作用n 屏蔽层与屏蔽盒的连接正确与否也很重要。正确的接法是：屏蔽层在芯线进入屏蔽