《电子产品可制造性设计》课件-第五章

1.整机结构设计整机结构设计概念整机结构设计：电子产品中由工程材料按合理的方式进行连接，能够安装电子元器件及机械零部件，是产品称为一个整体的基础结构。整机结构设计内容整机布线设计典型机械结构设计总体方案设计整机防护设计机电连接设计分机或单元结构设计整机结构设计原则050403020106保证产品技术指标的实现保证产品可靠性指标的实现保证产品使用要求的实现保证产品具有良好的工艺性通用化、系列化、模块化采用先进的设计技术整机结构设计顺序整机结构设计工艺要求01020304机电连接接口设计要求组装结构设计要求整机尺寸设计要求整机布局设计要求结构设计工艺要求2.1电子产品热设计电子产品热设计电子产品热没计：是利用热的传递条件，通过冷却措施控制电子产品内部所有元器件的温度，使其在产品所在的工作条件下，以不超过规定的最高温度稳定工作的设计。电子产品热设计的目的电子产品热设计的主要目的就是通过合理的散热设计。降低产品的工作温度，控制电子产品内部所有元器件的温度，使其在所处的工作环境温度下，以不超过规定的最高允许温度正常工作，避免高温导致故障，从而提高产品的可靠性。电子产品散热系统热传递的三种基本方式是传导、对流和辐射，对应的散热万式为：传导散热、对流散热和辐射散热。典型的散热系统如下：1.自然冷却系统2.强迫风冷散热系统3.气冷式冷板散热系统4.液冷式冷板散热系统电子产品热设计原则根据经验，热设计一般应遵循以下设计原则：①热流密度与体积功率密度超超过一定范围，应采用强迫冷却方法。②有利于空气流动或可以安装散热器，采用强迫空气冷却系统。③温梯度及很小的部件或体积功耗密度很高的元弱件或设备，使用液冷式散热系统。④一切外露部分工作在35°C以下，本身不超过60°，面板和控制器不应超过43°C。⑤热设计应与电气设计、结构设计、可靠性设计等同时进行，折中考虑。⑥应最大限度利用传导、辐射、对流等基本冷却方式，避免外加冷却装置。⑦必须考虑到可维修性。⑧对敏感元器件进行温度监控装置，以保护设备安全。自然冷却系统设计1.设计要求①尽可能缩短传热路径，增大换热或导热面积。②尽可能将组件内产生的热量通过组件机箱或安装架散出去。③尽量采用散热热阻小的导轨，增人机箱表面的黑度，增人辐射换热。④元器件的安装方向和安装方式，应能保证能最大限度利用对流方式传递热量。⑤元器件的安装方式合理，要保证元器件温度不超过其最大工作温度。⑥对靠近热源的热敏感元器件应采用热隔离措施。⑦对功率小于100mW的中小功率集成电路及小功率晶体管，一般可不增加其他散热措施。自然冷却系统设计2.设计方法①机壳散热

在机壳表面涂覆散热性能好的涂料；外壳开设通风口。②变压器散热设计

固定平台加工要形成良好热接触，或在固定面上用支架垫高形成热对流。③真空元器件设计

相对位置不宜过近、不宜过于靠近机壳侧壁，其他元器件不可太近。强迫风冷散热系统设计1.设计要求①合理控制气流方向和流量，保证所有元器件在低于额定温度的环境下工作②按元器件发热量进行顺序排列。③发热量大且耐温性差的元器件，尽量暴露在冷气流中。④变压器、电感类元器件，通过传导方式将热量传到底板上。⑤发热量大的元器件尽量集中排布。⑥元器件的排列尽量减小对冷空气的传送阻力。强迫风冷散热系统设计2.设计方法①通风管设计

通风道尽量短；尽量使用直管；合理选择管道截面积。②通风口设计

有利于形成热对流；出风口远离进风口；进风口低出风口高。③通风机选用

应根据散热需求，合理选择风机类型。

液冷式冷板散热系统设计设计要求①优选水作为冷却剂。②确保冷却剂不会在最高的工作温度下沸腾，不会在最低温度下结冰。③直接液体冷却适用于体积及功率密度很高的元器件或设备，以及必须在高温环境条件下工作且元器件与被冷却表面之间温度梯度很小的部件。其他冷却系统设计半导体制冷系统建立在帕尔贴效应基础上的一种制冷方法。利用这一原理可对大型CPU进行散热设计。2.热管制冷系统

热管一般由管壳、吸液芯和端盖构成。利用蒸发制冷的原理，增大热管两端温差，加快热量的传递。2.2电子产品抗振缓冲设计电子产品的振动冲击动力产生的机械力对电子产品的影响，主要表现为振动、冲击、碰撞、惯性和离心力等。电子产品的抗振/缓冲设计主要针对的是机械力。振动冲击影响1、

振动的影响电子设备在振动环境下，可能出现疲劳效应，电性能下降、零部件失效、疲劳损伤甚至破坏现象。2、

冲击和碰撞的影响冲击和碰撞力超过设备的强度极限将使设备受损破坏。3、惯性和离心力的影响

惯性和离心力能造成电子系统的误动作、信号中断或电气线路断路等故障。

加固设计1、结构的刚性化设计对构件截面形状尺寸进行合理选择；提高底板和骨架的刚度；尽量避免使用悬臂式结构。2、连接强度设计根据设备实际需求确定螺钉规格、数量，以及位置的合理设计；使用螺纹紧固剂、放松垫圈等提高系统稳定性。3、分机加固设计采用刚性较好的金属材料；采用设置筋或肋的方式提高壳体刚度和支撑刚度；功能模块的盒体尽量设计成封闭结构；分机加固设计应遵循层次结构和二倍率规则。加固设计4、导线及导线束的加固整机或机箱内部的导线束主干，应使用固定夹固定；无法使用固定夹固定时，应根据走线路径与相应位置设计绑扎孔，绑扎固定；整机或机箱内的细线束或单根导线可以采用粘固方式进行固定。5、印制板组装件的粘固对粘固强度要求较高的电子元器件及零件、部件、组件粘固使用环氧胶；使用硅橡胶粘固应合理选择粘固位置；有抗震、绝缘和密封要求的应用场合可使用整板灌封。减振缓冲设计1、阻尼材料选用

机箱及零部件设计选用高阻尼结构材料；在设计底座、机箱这类质量较大的零件时，优选高阻尼的结构形式（阻尼比：铸造＞铆接＞螺接＞焊接＞整体金属）；黏弹性材料一般不建议直接用于阻尼件。2、减震器选用与设计橡胶减振器；金属弹簧减振器；弹簧橡胶复合减振器。2.3电子产品电磁兼容性设计电磁干扰电磁干扰（ElectromagneticInterference,EMI）是一种电子噪音，干扰正常信号，破坏信号完整性，将引起装置、设备、系统或传播通道的性能下降或者失效。电磁兼容电磁兼容（ElectromagneticCompatibility，EMC）：设备或系统在其电磁环境中能够正常运行，并不对其环境中的其他设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。电磁干扰抑制技术电磁干扰三要素：电磁干扰源、耦合路径、电磁敏感设备。电磁干扰抑制技术：抑制干扰源、切断传播路径、降低设备敏感度。电磁兼容性设计原则1、系统设计明确产生电磁干扰或易受电磁干扰的部件；优选最有效的电磁干扰控制技术；电路也应作为电磁兼容设计的一部分。2、减小内部干扰敏感电路尽可能设计成在低增益和大集电极电流模式下工作；避免使用电压调整要求高的电路；尽量使用数字电路。3、抑制干扰源尽量选用频率低的微控制器；传输低电平信号的变压器尽量采用环形磁路和对称绕组。4、增强屏蔽效果结构设计尽量选用导电性能优良的金属材料；保证屏蔽体的厚度；减少机械孔洞。接地设计接地是指系统或产品的某个选定与接地面之间建立导电的通路。1.一般要求①接地面应是零电位的；各接地点间不应有电位差。

②理想接地面不形成地电流环路；应能吸收所有信号。

③接地面应采用低阻抗材料制成；安装固定式产品的接地面，优选整块铜板或铜网。接地设计2、设计要求①产品的设计和结构应保证所有外部零件、表面和壳体在正常工作期间始终处于接地状态。②从设备到接地线的通路应是连续的和永久性的，应有足够的载流能力。③应有足够低的阻抗，以限制对地电位。④可能出现较大突变电流的电路要有单独的接地系统或单独的接地回路。⑤所有产生电磁能的部件应该设有从设备外壳到结构的低阻抗连续通路。⑥电源地线和信号地线在整个地板上应该分别敷设。⑦一切屏蔽线两端应该与地有良好的接触。⑧接地线应尽可能短、粗、直、且接地。屏蔽设计屏蔽主要是采用导电或导磁材料制成的盒、壳、板等多种介质，来限制电磁场的作用，大大减少电磁场的干扰。按照抑制功能，屏蔽可分为电屏蔽、磁屏蔽和电磁屏蔽。屏蔽设计1、电屏蔽设计要求①保证屏蔽体接地效果②科学选择接地点③合理选择屏蔽体材料④合理设计屏蔽体形状⑤“孔”的屏蔽处理要求⑥“缝隙”的屏蔽处理要求屏蔽设计2、磁屏蔽设计要求①优选高磁导率铁磁材料②尽量采用多层屏蔽的方式③尽量减小屏蔽上接缝与空洞处的磁阻。④进行磁屏蔽设计时，必须注意所用的磁铁材料特性。屏蔽设计3、电磁屏蔽设计要求①电磁屏蔽的壳体应采用高电导率材料。②一般要求对电磁屏蔽体进行接地处理。③金属壳体材料的厚度需充分满足结构的强度和工艺要求。④金属壳体要尽量保持封闭状态；应尽量减少孔缝的数量，还应对多余孔缝采取有效的防护措施。滤波设计滤波是压缩信号回路中电磁干扰频谱的一种方法，它通过滤除无用频谱、留下有用频谱的方式，大大降低干扰发生的概率。

滤波设计滤波设计要求：①优先采用接地和屏蔽措施解决电磁干扰，必要时再采用滤波技术，优选简单的滤波器而不采用线路复杂的滤波器。②在产品电路中选用不同类型的滤波器减少不同类型的干扰，所有进入本振屏蔽区内的电源线均应滤波。③安装时滤波器应尽量靠近被滤波的设备，尽量用短且加屏蔽的引线作为耦合媒介。④确保滤波器有良好的接地，输入引线与输出引线之间应隔离。⑤每个元器件的电源端、地端之间应就近加装0.05～0.18μF的滤波电容。

布线设计连接导线是引起电磁干扰的重要因素，满足电磁兼容设计要求：

①应采用控制导线间距的办法减少导线之间的耦合。②低电平信号通路不应靠近高电平信号通路货未滤波的电源导线；强信号和弱信号的地线要单独安排，分别与地网单点相连；连接线布线设计要注意强弱信号隔离、输入与输出线隔离。③尽可能采用短而粗的地线或树枝形地线；电源线应尽量靠近地线平行布设，应尽可能缩短各种引线；将进入接收机的引线减至最小限度。④应尽量减小馈线回路的面积；对电磁干扰敏感的部件需要加屏蔽，使之与能产生电磁干扰的部件或者线路相隔离。电路干抗扰设计电路本身的设计也是提高电子产品或系统抗干扰的重要措施。要求如下：1、降噪设计①元器件选用，能用低速芯片就不用高速；每个集成电路加一个去耦电容，每个电解电容边上都要加一个小的高频旁路电容。②时钟选用，优选满足系统要求的最低频率时钟；时钟靠近被使用元器件。③I/O驱动电路尽量靠近印制电路板边缘；印制电路板按频率和电流开关特性分区。④单面板和双面板用单点接电源线和单点接地线，电源线、地线应尽量粗。⑤印制电路板尽量使用45°折线；对噪声敏感的线不应与大电流、高速开关线平行；任何信号线都尽量不形成环路。电路干抗扰设计2、隔离设计①对数字电路和模拟电路、强信号和弱信号等不同类型的电路进行屏蔽隔离。②对高压电源设备要进行充分的屏蔽。③在灵敏度较高的低电平电路中，对每个电路都应有各自隔离和屏蔽良好的接地线。④振荡器应和其他电路及天线隔离。⑤电平特高和特低的电路要采用单独的盒子分隔。⑥脉冲网络和变压器应进行隔离。⑦电路板上最敏感的网络与高电平网络或产生瞬态干扰的网络进行物理分隔。⑧尽量采用模块结构，以限制干扰在设备及分系统内部的传播。2.4电子产品“三防“设计“三防”技术环境中的潮湿、盐雾、霉菌等可能造成电子产品材料腐蚀、性能劣化、电气性能下降，最终影响产品可靠性。对电子产品“三防”技术主要是针对环境条件中潮湿、霉菌、盐雾的防护。“三防”设计内容01020304材料“三防”设计电路板组件“三防”设计结构“三防”设计工艺“三防”设计标题文字添加此处防潮设计①通过工艺处理，降低产品的吸水性，提高产品的憎水能力。②对元器件或模块进行