电子产品结构设计与制造工艺

H:\精品资料\建筑精品网原稿ok（删除公文）\建筑精品网5未上传百度第一章概述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: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。特别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。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。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,不但元器件质量要求高,在电路设计和结构设计中都要作出较大的努力。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,要经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。当前,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:电子设备的工作环境及其对设备的要求;可靠性及提高可靠性的方法;电子产品常见材料的防腐蚀措施;温度对电子设备的影响及散热方法;减振缓冲原理及常见减振器的选用;电磁干扰及其屏蔽,接地技术;电子设备元器件布局与装配;印制电路板的结构设计与制造工艺;电子设备整机装配与调试;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,按其成因大致可为自然环境、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: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。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。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)经过合理的布线、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。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(特别是大功率设备)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。特别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。另外,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。因此基于以上的原因,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,不论设计师面正确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。她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。当前在工业界里,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。好的品质是经过良好的设计(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’(RobustProcess)。而坚固工艺是必须经过设计、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’是相正确,因此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)可能是‘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。1.4.2DFM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DesignforValue(performance/priceratio)DFR——可靠性设计(DesignforReliability)DFM——可制造性设计(DesignforManufacturability)DFA——可装配性设计(DesignforAssembly)DFT——可测试设计(DesignforTestability)DFS——可维护性设计(DesignforServicability)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,一般所说的产品质量好,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。可是,大量偶然事件中包含规律性是必然的。我们能够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,但我们能够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。一般见R(t)表示。R(t)=×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内依然完好的产品数。可靠度的物理意义是:到某个试验期时,依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。一般见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内的失效数与在t时刻尚能正常工作的产品数之比。用λ(t)表示,即λ(t)=(1.4)式中N——试验样品数;Δt——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+Δt)——时间从0到(t+Δt)时的失效数;n(t+Δt)–n(t)——t时刻后,在Δt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λ为常数时,失效率λ与可靠度R(t)满足R(t)=e-λt(1.5)即失效率越低,可靠度越高。λ(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。平均寿命可表示为: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Y3×10-5八级B1×10-8五级W1×10-5九级J1×10-9六级N1×10-6十级S1×10-10七级Q1×10-73．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一般见失效率来表征。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。经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,能够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一般见失效率表示。元器件工作在偶然失效期,其失效率为常数λ,由(1.5)式,其可靠度为:R(t)=e-λt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。因此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能够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。我们能够根据元器件的可靠性求得系统可靠性,也能够根据系统可靠性分配各子系统的可靠性。串联系统设一个复杂的系统C,能够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CR(C)=R(A1)×R(A2)×R(A3)×……×R(An)=(1.7)由于R(Ai)≤1,因此相乘项越多,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,能够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;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:①分布截尾筛选法:筛选掉参数偏离标称值过大的产品。②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。③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。④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。⑤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。当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,合理的降额能够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S<0.1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1～2．电容器的降额使用要点电容器的使用温度一般应低于50℃,特别是电解电容器更不宜在高温下工作,电解电容器在低于-45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0.5～0.8,小型云母电容器常出现低电平失效,因此交流运作时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一般取表1.6是常见元器件的推荐降额使用范围,设计时可参考。表1.6常见元器件的推荐降额范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内容TSPTSVSPSVTSISISISP范围<450.1~0.6<50<0.6<0.5<0.7<1300.6～0.7白炽灯负载≤0.15电感性负载≤0.3同左0.3～0.8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。1．5．3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中有一个能够正常工作,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,因此,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。1．5．4采取有效的环境防护措施有效的环境设计能够防止与减少温度、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。1．5．5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: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。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,因此经过综合试验,更能考核设备的真实可靠性。1．5．6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能够简化故障的判断、查找,使故障的维修与排除变的迅速。具体做法有:采用故障检测电路及故障预、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2．1概述2．1．1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及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它因素(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一般称为生物腐蚀,其中由于霉菌和其它微生物引起的腐蚀也称为霉腐或霉变。2．1．2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:水分。氧和臭氧。温度。腐蚀性气体。盐雾。沙和灰尘。太阳辐射。微生物额动物。2．1．3防腐蚀设计的基本要求实践证明,采取恰当的防护措施,腐蚀是能够受到一定程度的控制,有些腐蚀事故是能够避免的。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及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)以及允许采用的防护手段。经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:采用高耐蚀性材料;消除或削弱环境中的腐蚀性因素;对不耐蚀材料进行耐蚀性表面处理;防腐蚀结构设计;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。一般需要将几种方法接合起来使用,以获得经济而有效的结果。

2．2潮湿及生物危害的防护2．2．1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下列破坏作用:(1)引起金属腐蚀及加快腐蚀速度。(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。另外,水分附着在材料表面或渗入内部,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,向物体内部扩散,使水分子进入物体内部。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,进入材料内部。(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,可能造成物体内部的内凝露,严重时造成物体内部积水。扩散和吸收使水分子进入材料内部,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内部的程度,能够用吸湿性(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α＜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张力。亲水性物体使水在物体表面上连成一片水膜。当润湿角α＞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张力。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内部。而且,α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,能够经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50~70℃,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180~200(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、缝隙以及结构中的空隙,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,改进了传热性能。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;也能够用涂覆的办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内部,因此蘸渍的防潮湿性能比浸渍差。常见的防潮漆有: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、冲击及剧烈温度变化对电子元件的不良影响,以及提高抗振冲强度。但此法多适用于小型的单元、部件及元器件。灌封材料主要要求是应具有优异的粘附力,很小的透湿性、较高的软化点以及优良的向物体缝隙的渗透能力。常见的灌封材料有: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。2．2．2生物危害的防护1、霉菌的滋生及其危害性(1)霉菌特性霉菌属于细菌中的一个系列,它能在土壤里及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1μm),极易随空气侵入设备内部,因此,凡是空气能够进入的设备中,所有的零件都有可能受到霉菌孢子的污染。另外,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、氧气以及碳、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陈代谢作用。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须物质,停止供给新鲜氧气,霉菌的生长就会终止。对于霉菌所需的其它营养物质,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范围是20~30℃,温度高于30℃,霉菌的生长能力将是显著下降;温度超过60℃(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,能够造成短路,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:由于霉菌在新陈代谢过程中分泌出的二氧化碳及其它酸性物质,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,以及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,如果在电子设备的内部放入干燥剂并将设备密封,保持设备内部干燥、清洁;或将设备处于温度低于摄氏6℃(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、乙丙橡胶及氯丁橡胶等合成橡胶;粘结剂及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但能防止霉菌对电子设备的侵入,而且能够消灭霉菌。(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。防霉剂的使用有下列三种形式:①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。②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。③浸渍法:制成防霉剂稀溶液,对材料进行浸渍处理。棉纱、纸张等可用此法。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、其它生物危害及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。一般,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,一般是经过海风或海浪把它带入电子设备的,这些海生物在其新陈代谢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、铝及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,以及阴极保护法等都能减少生物对电子设备的危害。2．3金属腐蚀机理2．3．1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,再向金属内部或表面其它部分扩展。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。可是,有时腐蚀介质与机械因素会同时作用,两者能够互相促进,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一般见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及其它条件(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。2．3．2．金属腐蚀的分类按照腐蚀作用发生的机理,金属腐蚀能够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。在电化学中,一般规定发生氧化反应的电极称为阳极;发生还原反应的电极称为阴极。因此,在原电池中电位较高的正极是阴极,电位较低的负极是阳极。根据组成腐蚀电池的电极尺寸大小及阴、阳极区分布随时间的稳定性,并考虑到促使形成腐蚀电池的影响因素和腐蚀破坏的特征,一般可将腐蚀电池分为宏观腐蚀电池和微观腐蚀电池两大类。(1)、宏观腐蚀电池。一般是指由肉眼可见的电极所构成的腐蚀电池,电池的阴极区和阳极区往往保持长时间的稳定,因而导致明显的局部腐蚀。宏观腐蚀电池有以下几种。异种金属接触电池。即不同金属在同一电解液中相接触构成的腐蚀电池。浓差电池。即同一种金属浸入不同浓度的电解液中形成的腐蚀电池。金属的电极电位与金属离子的浓度有关,当金属与含有不同浓度的该金属离子的溶液接触时,浓度稀处,金属电位较负;浓度高处,金属电位较正,从而稀处金属离子浓差腐蚀电池。温差腐蚀电池。金属浸入电解质溶液中各部分由于温度不同而具有不同的电位,因而稀处腐蚀电池。(2)、微观腐蚀电池。由于金属表面存在电化学不均匀性,使金属表面出现许多微小的电极,从而构成各种各样的微小的腐蚀电池,简称微电池。金属表面化学成分的不均匀性引起的微电池。金属表面的杂质以微电极的形式与基体金属构成的许多短路的微电池。金属组织不均匀性构成的微电池。金属晶界的电位一般比晶粒内部的电位低,成为微电池的阳极,腐蚀首先从晶界开始。金属物理状态不均匀性引起的微电池。金属各部分变形不均匀,或应力不均匀,都可引起局部微电池。一般变形较大或受应力较大部分为阳极。金属表面膜不完整引起的微电池。金属表面钝化膜或其它具有电子导电性的膜或涂层,由于存在孔隙或破损,该处的基体金属一般比表面膜的电位负,形成膜－孔电池。2．3．3．金属腐蚀的破坏形式金属腐蚀的破坏形式有全面腐蚀及局部腐蚀两种类型。如果腐蚀分布在金属整个表面上,则称为全面腐蚀,全面腐蚀能够是均匀的或是不均匀的。如果腐蚀是集中在某一定区域而表面上的其它部分却几乎未遭受腐蚀,则称为局部腐蚀。局部腐蚀又可分为斑状腐蚀、陷坑腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀、穿晶腐蚀和表面下腐蚀、选择腐蚀等。金属究竟发生哪种类型的腐蚀,决定于金属与环境的各种因素的综合作用。全面腐蚀对金属构件本身破坏程度较小,但对具有表面装饰性的金属和金属镀层,或是在利用金属表面性质的情况下,这种腐蚀是最应避免的。局部腐蚀比全面腐蚀危害更大,因为往往在损失的金属量不大的情况下造成非常严重的机械性能的损坏,而且具有较大的隐蔽性。2．3．4．金属腐蚀对电子设备的危害性金属腐蚀的发生,必然影响到金属零部件、元器件的电性能,机械性能和防护性能,造成各种开关及接触件的接触不良,机械传动系统的精度降低;固定件的强度减弱;电磁元器件的参数改变等不良后果,同时,腐蚀产物还有可能造成电气上的短路、绝缘材料漏电而降低介质的电性能等,严重地影响了电子设备的性能参数,降低使用寿命,甚至使设备损坏。另外金属腐蚀还使得设备的维修、零件更换的次数增加,以及为采取防腐蚀措施而增加生产工序等间接损失。实践证明,在热带、海洋、化工、工业气体等腐蚀性强的环境中,电子设备中的金属腐蚀极为严重。因此,做好防腐设计是保证电子设备具有高度可靠性的重要环节。2．4金属的防腐蚀设计电子产品的防腐蚀设计主要是选用耐腐蚀材料、选择合适的防腐蚀覆盖层以及进行合理的结构设计。2．4．1．选择耐蚀材料1．选材应遵循的原则根据设备的使用条件,选择具有耐蚀性能的金属材料对提高设备的抗蚀性能很有成效,但由于材料的使用还涉及到设备性能或零部件的功能所要求的物理、化学、机械、电气特性,以及其加工性能和经济性等,因此必须综合考虑。仅从防腐蚀角度出发,选材应遵循下列原则:(1)环境因素和腐蚀介质是选材必须明确的条件。金属的耐蚀性能与所接触的介质有密切关系。选材时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、湿度变化等各种因素,以此作为选材的主要依据。(2)根据对保护程度的要求选材。对于那些一旦发生腐蚀则会带来严重后果、可靠性要求很高且不易维修更换的关键零部件,应选用高耐蚀性材料;而对于非关键零部件则可采用耐蚀性较低的材料,并辅以其它防腐措施,以获得较好的经济效果。(3)选材时应考虑与之相应的防腐措施,一种金属材料加上适当的防腐措施能够组成良好的耐蚀体系。(4)应注意材料的兼容性。不同金属相互接触有可能形成电偶腐蚀。表2.2列出了允许和不允许的电化偶。(5)应考虑材料的加工性能、焊接性能,要注意其加工后是否会降低抗腐蚀性能。(6)在某些场合可考虑用非金属代替金属材料,如塑料、橡胶、陶瓷、玻璃等,只要使用得当,都可成为设备的防腐材料。当前,在电子设备中广泛利用工程塑料制造机箱、面板、旋钮、支架、手柄等一般构件和齿轮、链轮、蜗轮、蜗杆等耐磨传动件。2．大气环境中的选材在一般的大气环境中,作为电子设备的结构材料一般以钢铁(铸铁、普通碳钢、低合金钢)、铝合金为主,并进行适当的表面处理以增强其耐蚀能力。常见金属材料的防蚀处理有以下几种:铸铁、普通碳钢、低合金钢能够用金属镀层或油漆涂覆层加以保护。铝及铝合金采用电化学氧化处理或化学氧化处理。铸造铝合金采用油漆涂层保护。铜及铜合金在大气中容易变色。当变色会影响其导电性能或外观要求时,能够根据不同的使用条件和使用要求,采用光亮酸洗、钝化处理、金属镀层或油漆层加以保护。锌合金制造的零件,能够采用磷化、钝化、金属镀层或油漆层防护。镁合金制造的零件,能够采用阳极氧化或化学处理并涂覆油漆层保护。3．海水腐蚀环境中的选材对大型海洋工程结构,一般采用价格低廉、制造方便的低碳钢和普通低合金钢,并辅之以涂料和阴极保护措施。对强度要求高的可采用低合金高强度钢。环境腐蚀条件比较苛刻,普通钢铁材料难以满足防腐蚀要求,材料用量又不很大时,应采用高耐蚀材料,如耐海水不锈钢、铜合金、镍基合金和钛合金。2．4．2防腐蚀覆盖层金属材料的表面防腐蚀覆盖层主要有金属镀层、金属表面化学处理和有机覆盖层等三种。金属镀层经过电镀、化学镀、热喷涂、热浸镀、真空镀等方法,在需要防护的基体金属表面行成金属镀层保护膜。(1)金属镀层的分类按照使用目的,可把金属镀层分为下列几种:①主要用来防止金属制品腐蚀的防护性镀层。例如在海洋性气候条件下,钢铁制品上的镉镀层等。②不但能防止腐蚀,而且能赋予金属制品某种经久不变的光泽外观的防护——装饰性镀层。此类镀层大都为多层镀覆,即先镀以与基体金属结合牢固、耐蚀性强的”底层”,再镀以主要赋予装饰性能的”表层”,甚至还有”中间镀层”。例如广泛使用的铜、镍、铬电镀层。③导电性镀层。如镀银,用来提高零件表面的导电性能。④其它镀层。如磁性镀层,耐磨和减摩镀层等。根据镀层与基体金属之间的电化学关系,又可分为下列两种:①如果镀层金属的电位比基体金属的电位低,当镀层有缺陷(针孔、划伤等)而与基体金属形成微电池时,镀层将作为阳极,对基体金属(阴极)起电化学保护作用,这类镀层叫做阳极镀层。完整而又致密无孔的阳极镀层对基体金属尚有机械保护作用。②如果镀层金属的电位比基体金属电位高,则叫做阴极镀层。显然,阴极镀层当它完整无缺时,对基体金属也有机械保护作用,但镀层破损后,则会加速基体金属的腐蚀。获得金属镀层的方法有:电镀、化学镀、热喷镀、热浸镀、热渗镀、真空镀等。(2)常见金属镀层为达到保护基体的目的,金属镀层应满足的要求是:镀层金属在环境介质中耐蚀性良好;与基体金属结合牢固;有良好的机械物理性能;镀层完整,空隙小;有一定厚度和均匀性。钢铁材料常见的镀层有:镀锌、镀镉、镀铬、镀镍、镀锡铅合金、镀铜等。锌镀层属于阳极镀层,在一般气候条件下具有良好的保护性,故被广泛采用,锌镀层的钝化膜大大提高了其防腐蚀能力,故镀锌时一般都要进行钝化处理。镉镀层在一般大气条件下,属于阴极镀层,其保护性不如锌镀层,但在盐雾和海洋气候条件下,属于阳极镀层比锌镀层耐腐蚀,故多用于海上和沿海用的电子设备。铬镀层对铁虽是阳极镀层,但防腐蚀能力差。其最广泛的用途是作为零件的装饰性镀层,而且一般用铜和镍镀层作为底层和中间镀层,才能防止基体金属遭受腐蚀。常见金属镀层的特性、用途和选用可查相关手册。2．金属表面化学处理金属表面化学处理是利用化学或电化学的方法使金属表面生成某种化合物而形成覆盖层(化学转化膜),以达到防腐蚀的目的。这种保护膜实际是金属或镀层金属表层原子与介质中的阴离子相互反应,在其表面生成具有良好附着性的氧化膜或金属盐膜。(1)发兰(发黑)在钢铁零件上用化学方法形成一层氧化膜的过程称为发兰。氧化膜主要由磁性氧化铁(Fe3O4)组成,呈黑色和深兰黑色故又称为发黑,其光泽美观,有较大的弹性和润滑性,但厚度较薄,抗蚀能力差。多用于不能电镀或油漆的零件,有时也作装饰性保护层。为了提高氧化膜的抗蚀能力,可在发兰处理后再进行油漆处理或增加磷化处理。(2)磷化处理将钢铁零件放入磷酸盐溶液中进行浸泡,使零件表面形成一层磷酸盐膜的过程称为磷化处理。磷化后产生的磷化膜厚度远远超过发兰膜的厚度,其抗蚀能力为发兰膜的2~10倍,若在磷化膜上涂漆,防蚀能力还可大大提高。磷化膜的另一优点是具有较高的电绝缘性,同时它与基体金属的结合很牢固,可作为电机及变压器用的硅钢片的绝缘层。金属经磷化处理后,其原有的机械性能及磁性等基本保持不变。(3)钝化处理将金属零件放入以铬酸或重铬酸盐为主要成份的钝化溶液中进行处理,使零件表面形成一层稳定性较高的铬酸盐膜(称钝化膜)的过程称为钝化处理。钝化膜能提高金属零件的抗腐蚀能力和增加其美观,但焊接性能和导电性能均稍有降低,因而只适宜作为在良好和一般条件下短时间防腐措施。铜及其合金和铁的锌镀层常选用钝化处理。(4)氧化处理氧化处理多用于铝及铝合金,铜及铜合金。氧化处理有化学氧化和电化学氧化两种。化学氧化是将零件放入碱性或酸性溶液中(分别称为碱性氧化和酸性氧化)进行处理,使其表面形成一层氧化膜的过程。这层氧化膜质地致密、具有良好的吸附能力,但质软不耐磨,耐腐蚀性能较差,故不宜单独使用,一般作为涂漆的底层。电化学氧化是将零件放在电解液中,在外加电流的作用下零件作为阳极进行电解而在其表面形成一层氧化膜的过程,有时也称为阳极氧化。这种方法获得的氧化膜较厚,具有较高的化学稳定性和较强的吸附能力,提高了零件的抗腐蚀能力。另外,这层氧化膜具有较高的硬度、较好的电绝缘性,而且耐磨,还是一种很好的绝热和抗热保护层。若在氧化处理后再涂漆则可进一步提高其耐蚀能力。3．有机覆盖层有机覆盖层也称有机涂层,是由有机成膜物质构成的覆盖层,包括涂料、塑料、橡胶和沥青涂层等。(1)涂料涂覆涂料(过去称油漆)涂覆是一种对金属和非金属制品进行防腐蚀和装饰的最简单的方法。在电子设备中应用最广泛。涂料具有一定的流动性,能在物体表面形成一层连续的薄膜,该膜能自行进行物理和化学变化,从而变成牢固地附着于物体表面的一层坚实的外皮,这层外皮对被涂覆的物体具有防腐与美化装饰作用。另外,某些涂料涂覆层还赋予零件以绝缘、耐高温、保护色等特殊性能。由于涂料涂覆层的耐磨性较差且较厚,因此,涂料涂覆主要用于机械作用不大、没有摩擦、公差要求不高、不焊接的表面。(2)塑料涂覆塑料涂覆是指利用有些塑料材料具有耐腐蚀性能的特点,将其制成分散液或悬浮液,然后经过特殊的工艺手段,让它们在基体材料表面形成防护膜。塑料涂覆膜的耐蚀性能与塑料本身的耐蚀性能有关,由于当前塑料种类很多,故经过采用塑料涂覆的方法往往能够获得许多特殊性能的表面,如绝缘、装饰等。由于塑料涂覆时往往需要经过干燥、塑化等高温工艺,因此,进行塑料涂覆的零件、部件均应能承受高温,否则就应选用其它涂覆方法。2．4．3防腐蚀的结构设计金属防腐蚀除使用覆盖层外,还应从产品结构设计上加以考虑,金属结构设计是否合理,对于接触腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀的敏感性影响很大。合理的结构形状结构形状应尽可能简单和合理。防止参与水分和冷凝液的积聚。防止电偶腐蚀发生电偶发生一般应满足下列条件:两种金属必须有一足够的电位差;两种金属必须直接接触并处于同一电解液中;溶液必须含有溶解氧(或酸)。因此,在设计上如果能够采取措施使上述条件中的任何一个得不到满足时,即可大大减轻或避免电偶腐蚀的发生。这些措施主要有:不同金属和合金应当避免直接接触。当两个金属件相接触时尽可能采用同种金属,当必须使用不同材料时,应选金属活泼性相差较近的材料。在两种不同的金属材料偶接处加入第三种金属,使两种金属间电位差降低。当不可避免需要异种金属接触时,一定要采取大阳极小阴极的结构形式。防止电偶腐蚀最普遍的方法是在两金属间隔入一个不吸水的有机材料绝缘物,如合成橡胶、聚四氟乙烯等,并对接触部位进行妥善的防水密封。能够采用一种可靠的耐蚀涂料系统保护不同金属偶接部位,防止其与周围介质直接接触,以便电偶腐蚀保持在一可接受的水平。3．防止其它类型的局部腐蚀防止缝隙腐蚀在电焊、铆接、螺纹紧固甚至是绝缘垫圈下面等缺氧处容易产生氧的浓度差腐蚀电池,这种现象叫缝隙腐蚀,缝隙腐蚀常发生在不锈钢、镍、铅等一般认为是耐蚀的金属上,且不易发现,因此危害性较大。应避免在湿度较大的条件下采用点焊、铆接结构。同时,在缝隙处应加上密封涂覆。为防止应力腐蚀,除了注意选择在给定的环境介质不具有应力腐蚀敏感性的金属材料之外,在结构设计上应注意尽量降低外应力、热应力、应力集中,应避免各种切口、尖角、焊接缺陷等的存在。在易发生腐蚀和最大腐蚀部位加厚构件尺寸。对易腐蚀损坏而必须经常维修、更换的零部件,结构上应保证其易于修理。降低金属件的表面粗糙度,对提高它的抗腐蚀能力有利。

2．5高分子材料的老化与防老化高分子材料主要指塑料、橡胶、涂料等,它们以其良好的耐蚀性、绝缘性、一定的强度、良好的加工成型工艺、较好的装饰性和各自特有的性能而被广泛地用于电子设备的制造中,特别是工程塑料的广泛应用,使设备更趋于轻型化、小型化并大大提高了其环境适应能力。与金属材料一样,高分子材料在使用时也会出现腐蚀变质现象,我们把高分子材料在加工、储存和使用过程中,物理、化学性质和机械性能逐渐恶化的变质现象称为老化。2．5．1老化及其特征高分子材料的老化是由于其化学组成、分子结构和物理状态等内因和经受光、热、电、机械应力、氧、臭氧、化学介质等外因作用而引起的。一般把高分子材料在化学介质或化学介质与其它因素共同作用下的变质现象称为化学老化;而把高分子材料在大气环境中所发生的性能恶化称为大气老化或环境老化。电子设备防腐设计中主要以防止大气老化为主。1．高分子材料老化的外部因素引起高分子材料老化的外部因素主要有以下几方面:(1)阳光照射对高分子材料老化影响最大的因素是阳光中的紫外线。紫外线的波长短、能量高,对高分子材料有强烈的破坏作用。紫外线作用在有氧的环境中,将使高分子材料产生氧化反应,导致其高分子链的断裂,同时还引起分子间的交联从而产生老化。因此,多数高分子材料是不耐紫外线作用的。(2)温度在高温下,高分子材料受热使其分子的势能