电子设备“三防”设计与热设计

1、电子设备“三防”设计和热设计 现代“三防”技术的范畴，已不单纯是一项工艺技术的实施，而应当涉及到电路、结构、工艺和综合性技术管理的各个方面，其中结构设计是将“三防”贯彻到产品设计中的关键，必须重视“三防设计”，而并非单纯的在产品完成后进行“三防设计”。结构设计中的“三防”设计一、设计准则 产品设计前，设计师根据设备预期的环境条件及其“三防”等级，提出需解决的关键性课题，使“三防”贯彻到产品设计之中，其中包括：l正确选用材料，包括金属材料、非金属材料；l合理的结构设计和可行的加工工艺；l合理选择金属镀层和化学覆盖层；l选用有效合理的防护体系。二、设计内容 （一）材料选择 就三防而言，应用材料时应

2、掌握材料的腐蚀机理、破坏形式及其相容性，避免某些危险性大的腐蚀形式，防止不同材料彼此相互作用而引起腐蚀和老化等。 金属材料腐蚀 破坏的主要形式电偶腐蚀隙缝腐蚀晶间腐蚀腐蚀磨损应力腐蚀电子设备中以电偶腐蚀电偶腐蚀最为普遍和突出。 根据材料的相容性，合理选用不同类型的金属和镀层是极为重要的。设计时必须综合材料的电气、力学、物理、化学以及加工性能等特性而优选耐蚀性好的金属材料和不长霉、耐老化的非金属材料。l耐腐蚀性能好的金属材料：金、铬、镍、钛及钛合金、铝合金、铜合金和不锈钢等。l不长霉、耐老化的非金属材料：聚四氟乙烯、聚碳酸酯、改性聚苯乙烯、有机玻璃和硅橡胶等。 考虑到经济因素，通常选铝合金、铜合

3、金、不锈钢和优质碳素钢等再镀覆金属层和涂覆非金属层联合保护。通常我们优先选择经认证或多年实践证明是可靠的金属材料和非金属材料。对选用的新材料，特别注意考虑其可靠性、工艺稳定性、供应的可能性。 （二）合理的结构形式和表面镀涂层设计 在电子设备的结构设计中，设计是否合理，对环境适应能力的影响最大，也是最主要的。因为大多数的腐蚀问题都能通过合理的结构设计来避免。设备尤其是舱室外设备应尽量避免易积存腐蚀介质、雨水或冷凝水的结构，采用各种行之有效的设计措施，进行排水、排液通风。如焊接结构应采用连续焊缝设计，尽可能消除缝隙和凹坑结构，防止积水、灰尘和盐雾。结构表面形状应简单，过渡光滑合理，应避免结构过分复

4、杂，随意组合的表面形式会使防腐蚀复杂化。伺服转台、天线罩等大容积的设备应避免气密式设计，因为气密设计一旦失效，经过一定的时间，内部产生积水，形成100%的蒸汽压，电子设备易受潮失效。可选用专业厂商的防水透气阀来完成设备的防水透气设计，从而避免气密式设计。不同金属连接的组装件，要避免电偶腐蚀，以免加速基体金属的腐蚀，型（暴露）表面的两种金属电极电位差值应控制在0.25V以内，型（遮蔽）表面的两种金属电极电位差值应控制在0.5V以内。尽量避免采用电焊、铆接、螺纹紧固等结构形式，而优选钣金结构或整体浇铸的结构形式，一面形成隙缝腐蚀，同时可在能形成缝隙腐蚀处加密封涂覆或加密封衬垫。易腐蚀部位结构断面厚

5、度应尽量相近，因为断面厚度不一致时，一旦温度发生变化或在机械电气负载作用下薄弱部位发生形变，材料晶格会扭曲而产生应力腐蚀，严重时能引起电参数的变化。最容易发生腐蚀的零件可采用“弃件”可靠性设计方法，从结构上保证易于维修和更换。也可采用“腐蚀裕度”的设计思想，加厚腐蚀部位，“腐蚀裕度”一般取预期寿命的两倍。铸铝零件重点在于涂覆防护。其外表面的涂层体系设计为：喷砂导电氧化喷涂麦道底漆12道喷涂丙烯酸聚氨酯面漆12道。涂层厚度舱室内设备大于60m，舱室外设备大于120m。零件内壁除螺纹和有接地要求的部位外，喷涂聚氨酯漆。除螺纹外钢件的镀锌层厚度大于等于30m，并进行钝化处理。结构上避免2个零件进行焊

6、接后再作电镀处理。零部件表面应明确规定粗糙度要求。（三）工艺设计 工艺防护的主要手段为：镀、涂、密封；其中镀是基础，涂于密封起增强作用。1.型（暴露）表面的防护 型（暴露）表面是指当设备处于工作或行进状态时暴露于自然环境的表面，或虽然未暴露于自然环境，但能够收到各种气候因素（温度、雨、冰雹、雪、雨雪、含盐大气、工业大气、阳光直接照射、尘埃、风沙等）直接作用的表面。工作环境比较恶劣，因此，必须选择好的涂覆系统。l钢铁件 采用热浸镀锌或采用喷砂热浸镀锌磷化底漆 锶黄底漆聚氨酯面漆的工艺过程；l铝合金件 采用阳极氧化聚氨酯清漆或采用导电氧化处理 锶黄底漆面漆的工艺过程；l铸件（铸铁或铸铝）采用喷砂磷

7、化底漆铁红底漆（锌黄 底漆） 面漆的工艺过程。2.型（遮蔽）表面的防护 型（遮蔽）表面是指设备工作时不暴露于自然环境，且不会受到各种气候因素直接作用的表面，型表面的暴露条件与室内环境相当。l钢铁件 采用镀锌彩钝化锌黄底漆面漆或采用磷化处理铁 红底漆面漆的工艺过程；l铝合金件 采用导电氧化锌黄底漆面漆或采用阳极氧化S01-3 聚氨酯清漆的工艺过程。3.防潮设计 防潮设计的基本方法是对材料表面进行防潮处理，对元器件乃至整件进行密封、灌封、气体填充或液体填充；暴露的接触面应避免不同金属的接触，尤其要避免活泼金属和稳定金属的接触。可以采用单项或几项综合措施来防止湿气的影响。 设计方法包括：l采用具有防

8、水、防霉、防锈蚀的材料；l提供排水疏流系统或空气循环系统，消除湿气聚集物；l采用干燥装置吸收湿气；l采用保护涂层以防锈蚀；l憎水处理以降低产品的吸水性或改变其亲水性能；l浸渍、灌注和灌封，塑料封装和密封等。4.防盐雾设计 防盐雾设计的基本原则是：l采用密封结构；l选用耐盐雾材料（不锈钢或以塑料代替金属）；l元件部件采用相应的防护措施，涂覆防盐雾涂层；l不同金属间接触要防接触腐蚀。5.防霉菌设计 克服霉菌危害的主要措施有以下几个方面：l选择不易长霉和耐霉性好的材料；l将设备严格密封，并使其内部空气保持干燥（相对湿度低于 65）、清洁；l设备表面涂覆防霉剂或防霉漆；l利用紫外线照射防霉并消灭已生长

9、的霉菌；l在密封设备中充以高浓度的臭氧来消灭霉菌。 三防设计是一个系统工程，它涉及到许多方面，需要多方面人员的配合，为满足技术指标要求，保证产品质量，降低成本，就要综合考虑各种因素，了解产品所处的工作环境，选择合适的材料并采取相应的防护措施，是提高电子设备的可靠性和环境适应能力的重要内容。电子设备的热设计一、目的：一、目的： 热设计的目的是控制电子设备内部所有电子元器件的温度，使其在设备所处的工作环境条件下不超过规定的最高允许温度。最高允许温度的计算应以元器件的应力分析为基础，并且与设备可靠性的要求以及分配给每一个元器件的失效率相一致。二、面临二、面临基本问题基本问题： 电子设备的有效输出功率

10、比所需的输入功率小得多，而这部分多余的功率则转化为热而耗散掉。随着电子技术的发展，电子元器件和设备日趋小型化，使得设备的体积功率密度大大增加。因此，对电子设备必须配置冷却系统（包括自然冷却），在热源至热沉（外部环境）之间提供一条低热阻通路，保证热量顺利传递出去。三、冷却方法的分类三、冷却方法的分类1.按冷却剂与被冷却元器件（或设备）之间的配置关系，可分为下列两类：直接冷却直接冷却和间接冷却间接冷却。2.按传热机理，可分为下列几类：l自然冷却（包括导热、自然对流和辐射换热的单独 作用或两种以上换热形式的组合）；l强迫冷却（包括强迫风冷和强迫液体冷却等）；l蒸发冷却；l热电冷却；l热管冷却；l其它

11、冷却方法。四、冷却方法的选择四、冷却方法的选择1.温升为40时，各种冷却方法的热流密度和体积功率密度值如图4-1所示。2.冷却方法可以根据热流密度与温升要求，按图4-2所示关系进行选择，这种方法适用于温升要求不同的各类设备的冷却。3.设备内部的散热方法应使发热元器件与被冷却表面或散热器之间有一条低热阻的传热路径。冷却方法应简单、冷却设备重量要轻、可靠性与维修性好、成本低。4.利用金属导热是最基本的传热方法，其热路容易控制。而辐射换热则需要比较高的温差，切传热路径不易控制。对流换热需要较大的面积。在安装密度较高的设备内部难以满足需求。5.大多数小型电子元器件最好采用自然冷却方法。自然对流冷却表面

12、的最大热流密度为0.039W/cm2。有些高温元器件的热流密度可高达0.078W/cm2 （见图4-3）。6.强迫空气冷却是一种较好的冷却方法。若电子元器件之间的空间有利于空气流动或可以安装散热器时，就可以采用强迫空气冷却，迫使冷却空气流过发热元器件。7.直接液体冷却适用于体积功耗密度很高的元器件或设备。也适用于那些必须在高温环境条件下工作、且元器件与被冷却表面之间的温度梯度又很小的部件。8.直接沸腾冷却适用于体积功率密度很高的设备和元器件，其热阻值为每平方厘米0.006/W。9.热电致冷是一种产生负热阻的致冷技术。其优点是不需要外界动力、且可靠性高，其缺点是重量大、效率低。10.热管是一种传

13、热效率很高的传热器件，其传热性能比相同的金属的导热要高几十倍，且两端的温差很小。应用热管传热时，主要问题是如何减小热管两端接触面界面上的热阻。五、冷却设计五、冷却设计 （主要介绍自然冷却和强迫空气冷却设计）（主要介绍自然冷却和强迫空气冷却设计）（一）自然冷却设计 电子设备自然冷却设计是不使用外部动力（如风机、泵和压缩空气等）情况下的传热方法。它包括导热、辐射换热和自然对流换热等。 自然冷却适用于小型、安装密度较高的电子设备内部的冷却。其优点是结构紧凑、简单、不需外界动力和可靠性高。其主要传热方式应采用金属导热，同时避免采用辐射作为传热方式。l 机载电子设备要承受各种环境条件：由地面或舱板上的热

14、带高温及沙漠环境到10km或更高高空的低温、低气压环境。高速飞行的飞机蒙皮还要承受冲压空气的高温作用。l 自然冷却方法一般仅适用于设备内部，且有效性仅限于体积功率密度较低的环境。l 机载电子设备要注意地面冷却实验，地面试验的环境应模拟机上环境。l 机载电子设备安装密集，而且结构支撑很少，由于要求重量轻，限制了把结构支承件作为导热构件的价值。故而机载设备采用热管传热非常有利，但也须考虑飞机在倾斜飞行和重力发生变化时，对热管传热性能的影响问题。l 对大多数机载电子设备而言，冷却系统的设计点实在飞机的最大马赫数（最高冲压空气温度和蒙皮温度）和最高高度（空气密度最低）处。l 机载电子设备冷却系统除了应

15、满足飞行要求外，还应采取措施使电子设备在地面工作时也能得到冷却。机载电子设备热设计机载电子设备热设计l 用自然冷却的电子设备外壳可以作为气流通道，并且可以用于各种目的的保护和隔离。其中机壳是接收设备内部热量，并将其散发到周围环境中去的一个重要组成部分。机壳结构对电子设备的自然冷却显得格外重要。l 机柜要设计成机柜底部进冷却空气，从定不排除热空气的自然冷却结构。l 机壳的最大热流密度不得超过0.039W/cm2。机柜表面温度不得高于周围环境温度（机房）10。l 铝材铆接界面处的热阻与金属厚度和铆钉面积有关，其热阻值为6.4525.8cm2/W。金属厚度以0.250.5cm为宜。电子设备机会和外壳

16、的热设计电子设备机会和外壳的热设计l 机壳开孔的大小与冷却空气进、出流速相适应，并且压降应小于热空气的浮升压力。l 通风孔的布置原则应使进、出风孔尽量远离，进风孔应开在机箱的下端接近底板处，出风孔则应开在机箱侧上端接近顶板处。通风孔的形状、大小可根据设备应用场所、电磁兼容性及可靠性要求进行选择、布置。l 机箱机壳内、外表面突起、在靠近发热原件的机壳顶部底部或两侧开通风孔等，均能降低内部电子元器件的温度。 当电子设备的热流密度超过0.08W/cm2，体积功率密度超过0.18W/cm2时，单靠自然冷却不能完全解决它的冷却问题，需要外加动力进行强迫空气冷却或强迫液体冷却及其它冷却方法。 强迫空气冷却

17、是利用通风机或冲压空气使冷却空气流经电子设备（或电子元器件）将热量从热源传至热沉。 电子设备强迫空气冷却系统的设计主要是使热源的工作温度控制在规定的范围内，以及尽可能地减少冷却系统输送空气所需的冷却功率。同时也应尽量减少冷却系统的体积、重量、成本及降低噪声等。（二）强迫空气冷却设计强迫空气冷却设计应考虑的问题：l减少舰船和地面设备的气流噪声；l保护易坏的散热片；l设计时应使自然对流有助于强迫对流；l确保所有热源都具有所需的风量；l确保气流通道畅通无阻，且大小适当；l确保进气口与排气口远离；l换热器和空气过滤器装配要适当，便于维修；l要避免重复使用冷却空气。强迫空气冷却的机箱和机柜设计强迫空气冷却的机箱和机柜设计1.强迫空气冷却的非密封式或敞开式机箱设计时应满足下列要求：l进气孔应设置在机箱下侧或底部，但不要过低，以免污物和水进入安装在地面的机柜内。紧靠的系列机