第2章電子設備的可靠性設計2.1影響電子設備可靠性的主要因素2.2電子元器件的選用2.3電子設備的可靠性防護措施2.4印制電路板布線的可靠性設計2.5PCB電磁兼容設計中的地線設計思考題與練習題2.1影響電子設備可靠性的主要因素2.1.1工作環境電子設備所處的工作環境多種多樣。氣候條件、機械作用力和電磁干擾是影響電子設備的主要因素。必須采取適當的防護措施，將各種不良影響降低到最低限度，以保證電子設備穩定、可靠地工作。1.氣候條件對電子設備的要求氣候條件主要包括溫度、濕度、氣壓、鹽霧、大氣污染、灰沙及日照等因素，對設備的影響主要表現在使電氣性能下降、溫升過高、運動部位不靈活、結構損壞，甚至不能正常工作。為了減少和防止這些不良影響，對電子設備提出以下要求：(1)采取散熱措施，限制設備工作時的溫升，保證在最高工作溫度條件下，設備內的元器件所承受的溫度不超過其最高極限溫度，并要求電子設備能夠耐受高低溫循環時的冷熱沖擊。(2)采取各種防護措施，防止潮濕、鹽霧、大氣污染等氣候因素對電子設備內元器件及零部件的侵蝕和危害，延長其工作期。2.機械條件對電子設備的要求機械條件是指電子設備在不同的運載工具中使用時所受到的振動、沖擊、離心加速度等機械作用。它對設備的影響主要是：元器件損壞失效或電參數改變；結構件斷裂或變形過大；金屬件的疲勞破壞等。為了防止機械作用對設備產生的不良影響，對設備提出以下要求：(1)采取減振緩沖措施，確保設備內的電子元器件和機械零部件在受到外界強烈振動和沖擊的條件下，不致變形和損壞。(2)提高電子設備的耐沖擊、耐振動能力，保證電子設備的可靠性。3.電磁干擾對電子設備的要求電子設備工作的周圍空間充滿了由于各種原因所產生的電磁波，造成外部及內部干擾。電磁干擾的存在，使設備輸出噪聲增大，工作不穩定，甚至不能安全工作。2.1.2使用方面使用和維護人員對產品可靠性的影響，包括使用和維護的程序及設備，操作方法的正確性以及其他人為的因素。使用可靠性很大程度上依賴于使用設備的人。熟練而正確的操作，及時的維護和保養，都能顯著地提高使用可靠性。電子設備的操縱性能如何以及是否便于維護修理，直接影響到設備的可靠性，因此在結構設計時必須全面考慮。對電子設備的操縱要求，原則上可歸納為以下幾點：(1)為操縱者創造良好的工作條件。例如：設備不會產生令人厭惡的噪聲，且色彩調和給人以好感，安裝位置適當，能令操作者精神安寧、注意力集中，從而提高工作質量。(2)設備操作簡單，能很快地進入工作狀態，不需要很熟練的操作技術。

(3)設備安全可靠，有保險裝置。當操縱者發生誤操作時，應不會損壞設備，更不能危及人身安全。(4)控制機構輕便，盡可能減少操縱者的體力消耗。指示系統清晰，便于觀察，且長時間觀察不易疲勞，也不損傷視力。從維護方便的角度出發，對結構設計提出以下要求：(1)在發生故障時，便于打開維修或能迅速更換備用件。如采用插入式和折疊式結構、快速裝拆結構以及可換部件式結構等。(2)可調組件、測試點應布置在設備的同一面；經常更換的元器件應布置在易于裝拆的部位；對于電路單元應盡可能采用印制板并用插座與系統連接。(3)元器件的組裝密度不宜過大，即體積填充系數在可能的條件下應取得低一些(一般最好不超過0.3)，以保證元器件間有足夠的空間，便于裝拆和維修。(4)設備應具有過負荷保護裝置(如過電流、過電壓保護)，危險和高壓處應有警告標志和自動安全保護裝置(如高壓自動斷路門開關)等，以確保維修安全。(5)設備最好具備監測裝置和故障預報裝置，能使操縱者盡早地發現故障或測試失效元器件，及時更換維修，以縮短維修時間，防止大故障出現。2.1.3生產方面1.生產條件對電子設備的要求任何電子設備在它的研制之后都要投入生產。生產廠的設備情況、技術和工藝水平、生產能力和生產周期以及生產管理水平等因素都屬于生產條件。設備若要順利地投產，必須滿足生產條件對它的要求，否則就不可能生產優質的產品，甚至根本無法投產。生產條件對產品的要求一般有以下幾個方面：(1)設備中的零部件、元器件，其品種和規格應盡可能少，盡量使用由專業廠家生產的通用零部件或產品。因為這樣便于生產管理，有利于提高產品質量，降低成本。(2)設備中的機械零部件必須具有較好的結構工藝性，能夠采用先進的工藝方法和流程。(3)設備中的零部件、元器件及其各種技術參數、形狀、尺寸等，應最大限度地標準化和規格化；還應盡可能采用生產廠家以前曾經生產過的零部件，充分利用生產廠家的先進經驗，使產品具有繼承性。(4)設備所使用的原材料的品種規格越少越好，應盡可能少用或不用貴重材料，立足于使用國產材料和來源多、價格低的材料。(5)設備(含零部件)的加工精度要與技術條件要求相適應，不允許無根據地追求高精度。在滿足產品性能指標的前提下，其精度等級應盡可能低，裝配也應簡易化，盡量不搞選配和修配，力求減少裝配工人的體力消耗，便于自動流水生產。2.經濟性對電子設備的要求電子設備的經濟性有兩方面的內容：使用經濟性和生產經濟性。使用經濟性包括設備在使用、貯存和運輸過程中所消耗的費用。為了提高產品的經濟性，在設計階段就應充分考慮以下幾個方面：(1)研究產品與零部件技術條件，分析產品設計參數，研討和保證產品性能和使用條件，正確制定設計方案，這是產品經濟性的首要環節。(2)根據產量確定產品結構形式和產品類型。產量的大小決定著生產批量的規模，生產批量不同，其生產方式類型也不同，因而其生產經濟性也不同。(3)運用價值工程觀念，在保證產品性能的條件下，按最經濟的生產方法設計零部件。在滿足產品技術要求的條件下，選用最經濟合理的原材料和元器件，以求降低產品的生產成本。(4)全面構思，周密設計產品的結構，使產品具有良好的操縱維修性能和使用性能，以降低設備的維修費用和使用費用。2.2電子元器件的選用2.2.1電子元器件的選用準則電子元器件選用時應遵循下列原則：(1)根據電路性能的要求和工作環境的條件選用合適的元器件，元器件的技術條件、技術性能、質量等級等均應滿足設備工作和環境的要求，并留有足夠的裕量。(2)優先選用經實踐證明質量穩定、可靠性高、有發展前途的標準元器件，不選用淘汰和禁用的元器件。(3)應最大限度地壓縮元器件的品種規格，減少生產廠家，提高它們的復用率。(4)除特殊情況外，所有電子元器件應按不同的要求經過必要的可靠性篩選后，才能用到產品中。(5)優先選用有良好的技術服務、供貨及時、價格合理的生產廠家的元器件。對關鍵元器件要進行用戶對生產方的質量認定。(6)仔細分析比較同類元器件在品種、規格、型號和制造廠商之間的差異，擇優選用。要注意統計在使用過程中元器件所表現出來的性能與可靠性方面的數據，作為以后選用的依據。2.2.2電子元器件的主要技術參數1.電阻器的主要技術參數(1)標稱阻值和允許偏差。標稱阻值是指電阻器上所標示的名義阻值，所有標稱阻值都必須符合標稱阻值系列。常用的標稱阻值有E6、E12和E24系列，如表2.1所示。實際阻值與標稱阻值的相對誤差稱為允許偏差。普通電阻的允許偏差有Ⅰ級(±5%)、Ⅱ級(±10%)和Ⅲ級(±20%)，精密電阻允許偏差要求更高，如±2%、±1%、±0.5%～±0.001%等。表2.1電阻器標稱阻值系列(2)額定功率。電阻器的額定功率是指在正常大氣壓力及額定溫度條件下，在電阻器的使用過程中電阻器所能承受而不致將其燒毀的最大限度功率值。它是根據電阻器本身的阻值以及所通過的電流和其兩端所加的電壓來確定的，是選擇電阻器的主要參數之一。常用電阻器額定功率的系列值如表2.2所示。表2.2常用電阻器額定功率的系列值(3)溫度系數。溫度系數是指溫度每升高或降低1℃所引起的電阻值的相對變化。溫度系數越小，電阻器的穩定性就越好。2.電容器的主要技術參數(1)標稱容量和允許偏差。電容器標稱容量及允許偏差的基本含義同電阻一樣，標稱容量越大，電容器貯存電荷的能力就越強。(2)耐壓值(額定工作電壓)。耐壓值是指在允許的環境溫度范圍內，電容器在電路中長期可靠地工作所允許加的最大直流電壓或交流電壓的有效值。在選擇電容器時，電容器的耐壓值應該大于實際工作承受的電壓，否則電容器中的介質會被擊穿造成電容器的損壞。常用的耐壓系列值如下所示(單位：V)：(3)絕緣電阻。絕緣電阻是指電容器兩極之間的電阻，也稱漏電阻。一般電容器絕緣電阻在108～1010?Ω之間，電容量越大絕緣電阻就越小，所以不能單憑所測絕緣電阻值的大小來衡量電容器的絕緣性能。3.半導體二極管的主要技術參數(1)最大正向電流IF。最大正向電流是指長期運行時晶體二極管允許通過的最大正向平均電流。(2)反向飽和電流Is。反向飽和電流是指二極管未擊穿時的反向電流值。反向飽和電流主要受溫度影響，該值越小，說明二極管的單向導電性越好。(3)最大反向工作電壓URM。最大反向工作電壓指正常工作時，二極管所能承受的反向電壓最大值。(4)最高工作頻率fM。最高工作頻率指晶體二極管能保持良好工作性能條件下的最高工作頻率。4.半導體三極管的主要技術參數(1)交流電流放大系數。交流電流放大系數包括共發射極電流放大系數(β)和共基極電流放大系數(α)。它是表明晶體管放大能力的重要參數。(2)集電極最大允許電流ICM。集電極最大允許電流指放大器的β下降到正常值的2/3時所對應的集電極電流值，或者說集電極電流所能達到的晶體三極管允許的極限值。(3)集電極最大允許耗散功率PCM。集電極最大允許耗散功率是指集電極因受熱而引起晶體三極管的參數變化不超過規定允許值時，集電極所能消耗的最大功率，或者說晶體管集電極溫度升高到不致將集電結燒毀所消耗的最大功率。(4)集-射間反向擊穿電壓(UCEO)。集-射間反向擊穿電壓指三極管基極開路時，集電極和發射極之間允許加的最高反向電壓。5.集成電路的主要技術參數1)?TTL“與非門”集成電路的主要靜態參數(1)輸出高電平UOH。輸出高電平UOH是指輸入端有一個(或幾個)為低電平時的輸出電平。UOH典型值約為3.6V。(2)輸出低電平UOL。輸出低電平UOL是指在電路輸出端接有額定負載(通常規定為帶八個同類型的與非門負載)時，電路處于飽和導通狀態時的輸出電壓。UOL一般應小于或等于0.35V。(3)輸入短路電流IIS。輸入短路電流IIS是指當任何一個輸入端接地而其余輸入端懸空時，流過該輸入端的電流值。IIS應小于1.5mA，且越小越好。(4)輸入漏電流IIH。輸入漏電流IIH是指在電路中，當任一輸入端接高電平，其余輸入端接地時，流過接高電平輸入端的電流。IIH應小于70μA，且越小越好。(5)開門電壓UON。開門電壓UON是指在電路輸出端接有負載(通常規定為帶八個同類型的與非門負載)時，使輸出電壓為低電平時的最小輸入電壓。一般UON應小于或等于1.8V，典型值為1.4V。(6)關門電壓UOFF。關門電壓UOFF是指輸出電壓值下降到規定值(即UON)的90%時的輸入電壓。一般UOFF應小于或等于0.8V，典型值為1V。2)數字集成電路的主要動態參數(1)平均傳輸延遲時間tpd。平均傳輸延遲時間是數字集成電路的一個重要動態參數。當門電路工作時，若輸入一個脈沖信號，則輸出脈沖會有一定的時間延遲，如圖2.1所示。(2)導通延遲時間trd。導通延遲時間是從輸入脈沖上升沿的50%起，到輸出脈沖下降沿的50%為止這段時間間隔。(3)截止延遲時間tfd。截止延遲時間是從輸出脈沖下降沿的50%起，到輸出脈沖上升沿的50%為止這段時間間隔。圖2.1數字集成電路的動態參數3)運算放大器的主要參數(1)開環電壓增益Aud。開環電壓增益Aud是指運算放大器處于開環狀態并且沒有外部反饋時，其輸出(直流)電壓增量與輸入(直流)差模電壓增量之比，即Aud=ΔUo/ΔUi=Uo/Ui。(2)共模抑制比CMRR。差模輸入是指把輸入信號電壓加在運算放大器的兩個輸入端之間。(3)輸入偏置電流IB。輸入偏置電流IB是指運算放大器在沒有輸入信號時，流入雙極型晶體管的基極電流或場效應晶體管的柵極漏電流。一般規定IB值是流入兩個輸入端的輸入偏置電流之和的一半。(4)輸入失調電流IOS。輸入失調電流IOS是指當輸入信號為零時，運算放大器的兩個輸入端的偏置電流的差值，即IOS=︱IB－︱－∣IB+∣。由于信號源內阻的存在，IOS會引起一輸入電壓變化，從而破壞運算放大器的平衡，使其輸出電壓值不為零，因此，要求IOS愈小愈好。(5)輸入失調電壓UOS。在運算放大器的兩個輸入端上外加一直流補償電壓，以使其輸出端為零電位，則外加的補償電壓就是輸入失調電壓UOS。UOS愈小，運算放大器的電路對稱程度愈好。2.2.3電子元器件的降額使用元器件失效的一個重要原因是由于它工作在允許的應力水平之上。因此為了提高元器件可靠性，延長其使用壽命，必須有意識地降低施加在元器件上的工作應力，以使實際使用應力低于其規定的額定應力。對元器件有影響的應力有：時間、溫度、濕度、腐蝕、機械應力(直接負荷、沖擊、振動等)和電應力(電壓、電流、頻率等)等。1.電阻器的降額使用電阻器按其功能可分為固定電阻器、電位器、熱敏電阻器等。對于固定電阻器和電位器而言，影響其可靠性的最重要應力為電壓、功率和環境溫度；對于熱敏電阻而言，影響其可靠性的應力則主要是功率和環境溫度。2.電容器的降額使用影響電容器可靠性的最重要應力是電壓和環境溫度。對于固定紙/塑料薄膜電容器而言，在應用時，交流峰值電壓與直流電壓之和不得超過其額定值。3.半導體器件降額使用可按GJB/Z35《電子元器件降額準則》對半導體器件合理地降額使用。需要降額的主要參數是結溫、電壓和電流。半導體器件的降額系數S取0.5以下，溫度低于50℃。鍺管還要低一點。不同的半導體器件，S的定義不一樣。晶體二極管的S為平均正向工作電流與25?℃時的最大額定正向電流之比。晶體三極管的S為實際功率與25?℃時的最大額定功率之比。穩壓管的S為實際耗散功率與25?℃時最大額定功率之比。光電器件的S為實際耗散功率與25?℃時最大額定功率乘以與最大允許結溫有關的修正系數之比。表2.3列出了常用元器件的推薦降額范圍。表2.3常用元器件的推薦降額范圍2.2.4電子元器件的檢驗與篩選電子元器件的質量是電子產品可靠性的重要保證，因此，在電子設備整機裝配前，應按照整機技術要求對元器件進行質量檢驗和篩選，不符合要求的元器件不得裝入整機。1.元器件的外觀檢查外觀檢查時，首先要查對元器件的型號、規格和出廠日期是否符合整機技術條件要求，沒有合格證明的元器件不得使用。外觀檢查的主要內容如下：(1)元器件外觀是否完整無損，標記是否清晰，引線和接線端子是否無銹蝕和明顯氧化。(2)電位器、可變電容器和可調電感器等組件調節時是否旋轉平穩，無跳變和卡死現象。(3)接插件是否插拔自如，插針、插孔鍍層是否光亮，無明顯氧化和沾污。(4)膠木件表面是否無裂紋、起泡和分層。瓷質件表面是否光潔平整，無缺損。(5)帶有密封結構的元器件，密封部件是否損壞和開裂。(6)鍍銀件表面是否光亮，無變色發黑現象。

2.元器件的篩選和老化篩選和老化的目的是剔除因某種缺陷而導致早期失效的元器件，從而提高元器件的使用壽命和可靠性。因此，凡有篩選和老化要求的元器件，在整機裝配前必須按照整機產品技術要求和有關技術規定進行嚴格的篩選和老化。下面對半導體二極管、三極管和集成電路的篩選和老化的技術要求作簡單介紹。1)半導體二極管、三極管的篩選(1)篩選程序如下：①二極管(此處列舉的是整流二極管)：高溫貯存→溫度沖擊→敲擊→功率老化→高溫測反向漏電流→常溫測試→檢漏→外觀檢查。②三極管：高溫貯存→溫度沖擊→跌落(大功率管不做)→高溫反偏(硅PNP管做)→功率老化→高低溫測試(必要時做)→常溫測試→檢漏→外觀檢查。(2)篩選條件及要求如下：①高溫貯存的要求為：貯存溫度：硅二極管為150±3?℃；硅三極管為175±3?℃；鍺二極管、三極管為100±2?℃。貯存時間：A級為48小時，B級為96小時。②溫度沖擊的要求為：鍺器件：－55±3?℃～85±2?℃硅器件：－55±3?℃～125±3?℃③敲擊。在專用夾具上用小錘敲擊器件，并用圖示儀監視最大工作電流正向曲線。④功率老化。在常溫下，按技術要求(例如：整流二極管最大電流不大于1A時，按額定電流的1.5倍老化；最大電流大于1A時，可按額定電流老化)通電老化。⑥高溫測試。其試驗溫度的要求為：鍺二極管為70±2℃，鍺中小功率三極管為55±2℃，鍺大功率管為75±2℃，硅二極管、三極管為125±3℃，恒溫時間為30分鐘。⑦低溫測試。其試驗溫度為－55±3℃，恒溫時間為30分鐘。⑧常溫測試。常溫測試按技術文件規定進行。⑨檢漏。檢漏按技術文件規定進行。2)半導體集成電路的篩選對于半導體集成電路等組件，也要按照技術要求，凡有篩選要求的都要進行篩選。(1)高溫貯存。高溫貯存的作用是通過高溫加熱來加速任何可能發生或存在的表面化學反應，使電路穩定，剔除潛在的失效電路。貯存條件：溫度為150～175±5℃，貯存時間為48小時或96小時。150℃適用于環氧扁平封裝的電路，175℃適用于其他材料封裝的電路。(2)溫度循環。溫度循環能檢驗電路內不同結構材料的熱脹冷縮是否匹配。循環條件：溫度范圍為－55±3～125±3℃。先低溫后高溫，每種溫度下保持30分鐘，交替時間小于1分鐘，交替次數不少于5次。(3)離心加速度。離心加速度試驗可使電路內部焊點不牢，裝片或封裝不佳，管殼及硅片存在潛在裂紋等缺陷易于暴露。試驗條件：質量小于15g的電路可施加外力20kg，質量大于15g的電路施加外力5kg。沿電路三個軸向，各試驗1分鐘。(4)跌落。有時可以用跌落的方法代替離心加速度的篩選方法。(5)高溫功率老化。老化條件：溫度為125±3?℃，時間為168小時或96小時。亦可把溫度提高到150±3℃，進行24小時老化。(6)高溫測試。測試條件：溫度為－40±3℃和－55±3℃，各保持30分鐘，測試電參數。(8)電路輸入、輸出特性檢查。在室溫下分別對電路每一個輸入、輸出端的PN結加反向電壓，觀察其特性曲線有無顯示擊穿現象。擊穿電壓應大于7V，漏電流應小于10μA。2.3電子設備的可靠性防護措施2.3.1電子設備的散熱防護溫度是影響電子設備可靠性最廣泛的一個因素。電子設備工作時，其功率損失一般都以熱能形式散發出來，尤其是一些耗散功率較大的元器件，如電子管、變壓器、大功率晶體管、大功率電阻等。另外，當環境溫度較高時，設備工作時產生的熱能難以散發出去，將使設備溫度升高。1.電阻器的散熱措施1)溫度對電阻器的影響溫度升高會使電阻使用率下降，導致其壽命降低。如RTX型碳膜電阻，當環境溫度為40℃時，允許的使用功率為標稱值的100%；環境溫度增至100℃時，允許使用功率僅為標稱值的20%。另外，溫度過高能使噪聲增大。溫度變化同樣會使阻值變化，溫度每升高或降低10℃，其阻值大約變化1%。2)電阻器散熱的一般方法電阻的溫度與其形式、尺寸、功率損耗、安裝位置以及環境溫度等因素有關。一般情況下，電阻是通過引出線的傳導和本身的對流、輻射來散熱的。電阻器散熱的一般考慮有：(1)大功率電阻器應安裝在金屬底座上，以便散熱。(2)不許在沒有散熱的情況下，將功率電阻器直接裝在接線端或印制板上。(3)功率電阻器盡可能安裝在水平位置。(4)引線長度應短些，使其和印制電路板的接點能起散熱作用；但又不能太短，且最好稍彎曲，以允許熱脹冷縮。如用安裝架，則要考慮其熱脹冷縮的應力。(5)當電阻器成行或成排安裝時，要考慮通風的限制和相互散熱的影響，并將其適當組合。(6)在需要補充絕緣時，需考慮散熱問題。2.半導體分立器件的散熱措施1)溫度對半導體分立器件的影響半導體器件對溫度反應很敏感，過高的溫度會使器件的工作點發生漂移、增益不穩定、噪聲增大和信號失真，嚴重時會引起熱擊穿。因此，通常半導體器件的工作溫度不能過高，如鍺管不超過70～100℃；硅管不超過150～200℃。表2.4列出了常用元器件的允許溫度。表2.4常用元器件允許溫度2)半導體分立器件散熱的一般考慮(1)對于功率小于100mW的晶體管，一般不用散熱器。(2)大功率半導體分立器件應裝在散熱器上。(3)散熱器應使肋片沿其長度方向垂直安裝，以便于自然對流。散熱器上有多個肋片時，應選用肋片間距大的散熱器。(4)半導體分立器件外殼與散熱器間的接觸熱阻應盡可能小，應盡量增大接觸面積，接觸面保持光潔，必要時在接觸面上涂上導熱膏或加熱絕緣硅橡膠片，借助于合適的緊固措施保證緊密接觸。(5)散熱器要進行表面處理，使其粗糙度適當并使表面呈黑色，以增強輻射換熱。(6)對于熱敏感的半導體分立器件，安裝時應遠離耗散功率大的元器件。(7)對于工作于真空環境中的半導體分立器件，散熱器設計時應以只有輻射和傳導散熱為基礎。3)散熱器常用的散熱器大致有：平板形、平行肋片形、叉指形、星形等，如圖2.2(a)～(d)所示。圖2.2散熱器形狀(a)平板形；(b)平行肋片形；(c)叉指形；(d)星形3.變壓器的散熱措施1)溫度對變壓器的影響溫度對變壓器的影響除降低其使用壽命外，絕緣材料的性能也將下降。一般情況下，變壓器的允許溫度應低于95℃。2)變壓器散熱的一般考慮(1)不帶外罩的變壓器，要求鐵心與支架、支架與固定面都要良好接觸，使其熱阻最小。(2)對有外罩的變壓器，除要求外罩與固定面良好接觸外，可將其墊高并在固定面上開孔，形成對流，如圖2.3所示。(3)變壓器外表面應涂無光澤黑漆，以加強輻射散熱。圖2.3變壓器的散熱4.集成電路的散熱措施集成電路的散熱，主要依靠管殼及引線的對流、輻射和傳導散熱，如圖2.4所示。當集成電路的熱流密度超過0.6W/cm2時，應裝散熱裝置，以減少外殼與周圍環境的熱阻。圖2.4集成電路的散熱5.電子設備整機的散熱措施1)機殼自然散熱機殼是接受設備內部熱量并將其散到周圍環境中去的機械結構。機殼散熱措施一般考慮如下：(1)選擇導熱性能好的材料做機殼，加強機箱內外表面的熱傳導。(2)在機殼內、外表面涂粗糙的黑漆，以提高機殼熱輻射能力。(3)在機殼上合理地開通風孔，以加強氣流的對流換熱能力。圖2.5為常見的通風口形式。圖(a)為最簡單的沖壓而成的通風孔；圖(b)為通風孔較大時用金屬網遮住洞口的形式；圖(c)為百葉窗式通風孔。圖2.5散熱器通風口形式2)印制板的熱設計從有利于散熱的角度出發，印制板最好是直立安裝，板與板之間的距離一般不要小于2cm，而且元器件在印制板上的排列方式應遵循如下規則：(1)對于采用對流空氣冷卻方式的設備，最好是將集成電路(或其他元器件)按縱長方式排列，如圖2.6(a)所示；對于采用強制空氣冷卻(風扇冷卻)的設備，則應按橫長方式排列，如圖2.6(b)所示。(2)在同一塊印制板上安裝半導體器件時，應將發熱量小或不耐熱的元器件(如小信號晶體管、小規模集成電路、電解電容等)放在氣流的入口處，將發熱量大或耐熱好的元器件放在氣流的出口處。圖2.6集成電路在印制板上的排列(a)縱長排列；(b)橫長排列(3)在水平方向上，大功率器件應盡量靠近印制板邊沿布置，以便縮短傳熱途徑；在垂直方向上，大功率器件應盡量靠近印制板上方布置，以便減小這些器件工作時對其他元器件溫度的影響。(4)溫度敏感器件最好安置在溫度最低的區域(如設備底部)，不要將它放在發熱元器件的正上方，多個器件最好是水平交錯布局。也可采用“熱屏蔽”方法達到熱保護作用。3)內部結構的合理布局由于設備內印制板的散熱主要依靠空氣對流，因此在設計時要研究空氣流動途徑，合理配置元器件或印制電路板。具體措施有：(1)要合理地布置機箱進出風口的位置，盡量增大進出風口之間的距離和高度差，以增強自然對流。(2)對大面積的元器件應特別注意其放置位置，如機箱底的底板、隔熱板、屏蔽板等。若位置安排不合理，則可能阻礙或阻斷自然對流的氣流。(3)在印制板上進行元器件布局時，要避免在某個區域留有較大的空域。如圖2.7(a)所示，冷卻空氣大多從此空域中流走，造成散熱效果大大降低。如圖2.7(b)所示，冷卻空氣的通路阻抗均勻，散熱效果得到了改善。整機設備內有多塊印制電路板的情況也應注意同樣的問題。圖2.7元器件的布局(a)較差布局；(b)較好布局4)強制風冷強制風冷是利用風機進行鼓風或抽風，提高設備內空氣流動的速度，增大散熱面的溫差，達到散熱的目的。強制風冷的散熱形式主要是對流散熱，其冷卻介質是空氣。強制風冷是目前應用最多的一種強制冷卻方法?！緦嵗考呻娐吩谟≈瓢迳系呐帕蟹绞綄ζ錅厣挠绊憽D2.8給出了大規模集成電路(LSI)和小規模集成電路(SSI)混合安裝情況下的兩種排列方式。LSI的功耗為1.5W，SSI的功耗為0.3W。實測結果表明，圖2.8(a)所示排列方式使LSI的溫升達50℃，而圖2.8(b)所示排列方式使LSI的溫升為40℃，顯然采納后一種排列方式對降低LSI的溫升更為有效。圖2.8集成電路的排列方式對其溫升的影響2.3.2

電子設備的氣候防護潮濕、鹽霧、霉菌以及氣壓、污染氣體對電子設備影響很大，其中潮濕的影響是最主要的。特別是在低溫高濕條件下，空氣濕度達到飽和時會使機內元器件、印制電路板上產生凝露現象，使電性能下降，故障上升1.潮濕的防護電子設備受到潮濕空氣的侵蝕，會在元器件或材料表面凝聚一層水膜，并滲透到材料內部，從而造成絕緣材料的表面電導率增加，體積電阻率降低，介質損耗增加，零部件電氣短路、漏電或擊穿等。潮氣還能引起覆蓋層起泡甚至脫落，使其失去保護作用。防潮濕的措施很多，常用的方法有浸漬、灌封、密封等。1)浸漬浸漬是將被處理的組件或材料浸入不吸濕的絕緣漆中，經過一定時間使絕緣液體進入組件或材料的小孔、縫隙和結構件的空隙，從而提高組件或材料的防潮濕性能和其他性能。2)灌封灌封是用于熱溶狀態的樹脂、橡膠等將電器組件澆注封閉，形成一個與外界完全隔絕的獨立的整體。

3)密封密封是防止潮濕長期影響的最有效的方法。密封是將零件、元器件、部件或一些復雜的裝置甚至整機安裝在不透氣的密封盒內，這種防潮手段屬于機械防潮。

2.鹽霧和霉菌的防護1)鹽霧的防護鹽霧主要發生在海上和近海地區，因鹽堿被風刮起或鹽水蒸發而形成的一種帶有鹽分的霧狀氣體。鹽霧的防護方法主要是：在一般電鍍的基礎上進行加工，即嚴格電鍍工藝，保證鍍層厚度，選擇適當的鍍層種類；采用密封機殼或機罩，使設備與鹽霧環境隔開；對關鍵組件進行灌封或加其他密封措施。2)霉菌的防護霉菌是指生長在營養基質上而形成絨毛狀、蜘網狀或絮狀菌絲體的真菌。霉菌種類繁多。電子設備的霉菌防護方法有以下幾種：(1)控制環境條件。(2)密封防霉。(3)使用防霉劑。(4)使用防霉材料。3.金屬的防腐電子設備中大量應用到金屬材料，金屬材料會和周圍腐蝕介質發生化學或電化學作用，從而導致金屬的腐蝕。金屬防腐蝕措施如下：(1)選擇合適的材料。金屬材料的耐蝕性能與所接觸的介質有密切的關系。選材時，首先要知道腐蝕介質的種類、腐蝕強度、PH值以及影響腐蝕性的諸如環境溫度、濕度變化情況等各種因素。(2)采用表面涂覆方法。表面涂覆是電子設備最常用的金屬防腐蝕方法。表面涂覆就是在零件表面涂覆一層金屬或非金屬覆蓋層。根據構成覆蓋層的物質不同，可將覆蓋層分為三類：金屬覆蓋層(電鍍)、化學覆蓋層(金屬氧化物)和涂料覆蓋層。2.3.3

電子設備的電磁防護屏蔽就是用導電或導磁材料制成的以盒、殼、板和柵等形式，將電磁場限制在一定空間范圍內，使電磁場從屏蔽體的一面傳到另一面時受到很大的衰減，從而抑制電磁場的擴散。根據屏蔽抑制功能的不同，可分為電屏蔽、磁屏蔽和電磁屏蔽。電屏蔽即靜電或電場的屏蔽，用于防止或抑制寄生電容耦合，隔離靜電或電場干擾。電屏蔽最簡單的方法是在感應源和受感器之間加一塊接地良好的金屬板，把感應源的寄生電容短接到地，達到屏蔽的目的。磁屏蔽用于防止磁感應，抑制寄生電感耦合，隔離磁場干擾。電磁屏蔽用于防止或抑制高頻電磁場的干擾。1.元器件防靜電措施半導體器件在制造、存貯、運輸及裝配過程中均可能因摩擦而產生靜電電壓，當器件與這些帶電體接觸時，帶電體就會通過器件引腳放電，引起器件失效。如MOS器件、雙極器件和混合集成電路等器件對靜電放電損傷敏感。以對靜電敏感的CMOS集成電路為例，在電路設計及印制板設計時，應注意以下幾點：(1)不使用的輸入端應根據要求接電源或接地，不得懸空。(2)作為線路板輸入接口的電路，其輸入端除加瞬變電壓抑制二極管外，還應對地接電阻器(阻值一般取0.2～1MΩ)。(3)當電路與電阻電容組成振蕩器時，電容器存貯電荷產生的電壓可使有關輸入端的電壓瞬時高于電源電壓。(4)作為線路板輸入接口的傳輸門，每個輸入端都應串接電阻器(阻值取50～100?Ω)。(5)作為線路板輸入接口的邏輯門，每個輸入端都應串接電阻器(阻值取100～200?Ω)。(6)作為線路板輸入接口的應用部位，應防止其輸入電位高于電源電位(先加信號源，后加線路板電源，就可導致這一現象發生)。

2.導線的屏蔽1)印制導線屏蔽單面印制板在信號線之間設置接地的印制導線可以起屏蔽作用，如圖2.9(a)所示。雙面印制板，除在信號線之間設置接地線以外，其背面銅箔也接地，增強了屏蔽作用，如圖2.9(b)所示。圖2.9印制板的屏蔽線2)高頻導線(同軸射頻電纜)的屏蔽高頻導線的屏蔽主要是在其外面套上一層金屬絲的編織網，中心是芯線，金屬網是屏蔽層，芯線和屏蔽層之間襯有絕緣材料，屏蔽層外還有一層絕緣套管。(1)高頻高電平導線的屏蔽。對于高頻高電平導線，屏蔽的作用主要是防止其干擾外界。導線接入電路時，只要將屏蔽層在一端接地，則中心導線信號電流在屏蔽層上感應出的電荷就被釋放到地，在屏蔽層外部沒有電場。一端接地的方法具有有效的電場屏蔽作用，如圖2.10所示。圖2.10屏蔽體一端接地的電場屏蔽作用如果屏蔽層兩端接地，則使屏蔽層通過地能夠得到一個與中心線電流方向相反的電流。兩電流產生的磁場互相抵消，使在屏蔽層的外面沒有磁場輻射，從而起到磁屏蔽作用，如圖2.11(a)、(b)所示。

圖2.11屏蔽體上有電流時的屏蔽作用屏蔽層與屏蔽盒的連接正確與否也很重要。正確的接法是：屏蔽層在芯線進入屏蔽盒的入口時就應與屏蔽盒連接，如圖2.12(a)所示；否則，屏蔽層所耦合的外界干擾信號在屏蔽盒內會產生磁場，形成干擾，如圖2.12(b)所示。(2)高頻低電平導線的屏蔽。對于高頻低電平導線，屏蔽的作用主要是防止外界對其的干擾。圖2.12隔離電纜外皮與屏蔽盒的連接3.低頻變壓器的屏蔽變壓器的鐵心由鐵磁材料制成，磁通絕大部分在鐵心中形成閉合回路，但有小部分磁通(漏磁通)穿過周圍空間而造成干擾，這將影響其附近的電子設備的正常工作，如放大器的調制交流聲，因此必須對變壓器進行屏蔽。變壓器的常見屏蔽方法有兩種。一種是在鐵心側面包鐵皮，如圖2.13(a)所示；另一種是在線包外面包一圈銅皮作為短路環，如圖2.13(b)。漏磁通在環內感應渦流，而渦流所產生的磁場與漏磁場反向，所以短路環減少了漏磁場對外界的干擾。圖2.13變壓器的屏蔽4.電路的屏蔽電路單元屏蔽的一般原則如下：(1)在電子設備或系統具有不同頻率的電路中，為防止相互之間的雜散電容耦合而造成干擾，對于振蕩器、放大器、濾波器等都應分別加以屏蔽。(2)如果多級放大器的增益不大，則級與級之間可以不屏蔽；如果其增益大，輸出級對輸入級的反饋大，則級與級之間應加以屏蔽。(3)如果低電平級靠近高電平級，則需要屏蔽；如果干擾電平與低電平級的輸入電平可以比擬，則應嚴格屏蔽。

(4)根據電路特性決定是否屏蔽。電路是否需要屏蔽決定于電路本身的特點。如低輸入阻抗的放大器受寄生反饋的影響比高輸入阻抗放大器的影響要小。2.4印制電路板布線的可靠性設計2.4.1

電磁兼容性設計電磁兼容性(EMC)是指電子系統及其元器件在各種電磁環境中仍能夠協調、有效地進行工作的能力。EMC設計的目的是既能抑制各種外來的干擾，使電路和設備在規定的電磁環境中能正常工作，又能減少其本身對其他設備的電磁干擾。印制電路板電磁兼容設計具體體現在布線時，此時要注意以下問題：(1)專用零伏線、電源線的走線寬度大于等于1mm。(2)電源線和地線盡可能靠近，整塊印制板上的電源與地要呈“井”字形分布，以便使分布線電流達到均衡。(3)要為模擬電路專門提供一根零伏線，以減少線間串擾。必要時可增加印制線條的間距。注意安插一些零伏線作為線間隔離。

(4)印制電路板的插頭也要多安排一些零伏線作為線間隔離；要特別注意電流流通中的導線環路尺寸；如有可能，在控制線(于印制板上)的入口處加接R-C去耦，以便消除傳輸中可能出現的干擾因素。(5)印制電路板上印制弧線的寬度不要突變，導線不要突然拐角(≥90°)。傳輸線拐角要采用45°角，以降低回損。(6)時鐘引線、行驅動器或總線驅動器的信號線常常載有大的瞬變電流，其印制導線要盡可能短；而對于電源線和地線這類難以縮短長度的布線，則應在印制板面積和線條密度允許的條件下盡可能加大布線的寬度。(7)采用平行走線可以減少導線電感，但會使導線之間的互感和分布電容增加。(8)為了抑制印制導線之間的串擾，在設計布線時應盡量避免長距離的平行走線，盡可能拉開線與線之間的距離，信號線與地線及電源線盡可能不交叉。在使用一般電路時，印制導線間隔和長度設計可以參考表2.5所列規格。表2.5印制電路板防串擾設計規則2.4.2

高頻數字電路PCB設計中的布局與布線為了避免高頻信號通過印制導線時產生的電磁輻射，在印制電路板布線時，應注意以下要點：(1)高頻數字信號線要用短線。(2)主要信號線最好集中在PCB板中心。(3)時鐘發生電路應在板中心附近。(4)電源線盡可能遠離高頻數字信號線或用地線隔開，電路的布局必須減少電流回路，電源的分布必須是低感應的(多路設計)。(5)數據總線的布線應每兩根信號線之間夾一根信號地線，最好是緊挨著最不重要的地址引線放置地回路，因為后者常載有高頻電流。輸入、輸出端用的導線應盡量避免相鄰平行，如圖2.14所示。圖2.14數據總線的布線方式(6)盡量減少印制導線的不連續性，例如導線寬度不要突變，導線的拐角大于90°，禁止環形走線等。這樣也有利于提高印制導線耐焊接熱的能力。(7)總線驅動器應緊挨其欲驅動的總線。(8)在印制板布線高速、中速和低速邏輯電路時，應按照圖2.15的方式排列器件。(9)由于突出引線存在抽頭電感，因此要避免使用有引線的組件。圖2.15不同工作速度的邏輯電路在印制板上的排列順序特殊元器件在電磁兼容性設計中還要遵循以下原則：(1)盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設法減少它們的分布參數和相互間的電磁干擾。(2)某些元器件或導線之間可能有較高的電位差，應加大它們之間的距離，避免放電，使引線意外短路。(3)根據電路的功能單元對電路的全部元器件進行布局時，要符合以下要求：①按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置，使布局便于信號流通，并使信號方向盡可能保持一致。②以每個功能電路的核心組件為中心，圍繞它來進行布局。③在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數。2.4.3混合信號電路PCB設計中的布局與布線混合信號電路PCB是指含有模擬電路和數字電路的PCB?；旌闲盘栯娐稰CB的設計很復雜，元器件的布局、布線以及電源和地線的處理將直接影響到電路性能和電磁兼容性能。1.混合信號電路PCB的電磁兼容設計中的布線原則(1)遵守常規的布線原則。(2)在印制電路板的所有層中，數字信號只能在印制板的數字部分布線，模擬信號只能在印制板的模擬部分布線。(3)實現模擬和數字電源分割。2.混合信號電路PCB的電磁兼容設計中的布局原則(1)遵循常規的元器件布局原則。(2)將PCB分區為獨立的、合理的模擬電路區和數字電路區。(3)?A/V轉換器跨分區放置。(4)電源和地線單獨引出。2.4.4單片機系統PCB設計1.單片機系統印制電路板設計要求印制電路板的設計對單片機系統能否抗干擾非常重要。要本著盡量控制噪音源，盡量減少噪音的傳播與耦合，以及盡量減少噪音的吸收這三大原則設計印制電路板和布線。印制電路板要合理分區。印制電路板按單點接電源、單點接地的原則送電。2.單片機系統印制電路板設計技巧(1)把時鐘振蕩電路、高速邏輯電路部分用地線圈起來，讓周圍電場趨近于零。(2)I/O驅動器件、功率放大器盡量靠近印制電路板的邊沿，靠近接插件。(3)能用低速的器件就不用高速的器件，高速器件只用在關鍵的地方。(4)使用滿足系統要求的最低頻率的時鐘，時鐘發生器要盡量靠近用到該時鐘的芯片。(5)使用45°的折線布線，不要使用90°折線，以減小高頻信號的發射。電源線、地線要盡量粗。信號線的過孔要盡量少。(6)關鍵的線盡量短而粗，并在兩邊加上保護地。若將敏感信號和噪聲場帶信號通過一條扁帶電纜引出，則要用地線—信號—地線方式引出(見圖2.14)。(7)任何信號線都不要形成環路，如不可避免，環路應盡量小。(8)對A/D類器件，數字部分與模擬部分寧可繞一下也不要交叉。噪聲敏感線不要與高速線、大電流線平行。(9)單片機及其他集成電路如有多個電源、地端，則每端都要加一個去耦電容，每個集成電路也要加一個去耦電容(獨石電容或瓷片電容)。(10)單片機不用的I/O端口編程時要定義成輸出。(11)需要時，電源線、地線上可加銅線繞制的高頻扼流圈，用來阻斷高頻噪聲的傳導。(12)盡量不要使用集成電路插座，把集成電路直接焊在印制板上，因為插座有較大的分布電容。(13)若經濟條件允許，可用多層板制作印制電路板。2.5PCB電磁兼容設計中的地線設計2.5.1地線阻抗干擾任何導線(包括地線)都有一定的阻抗。阻抗指的是交流狀態下導線對電流的阻抗，這個阻抗主要是由導線的電感引起的。當頻率較高時，導線的阻抗遠大于導線電阻，如表2.6所示。因此，地線的阻抗引起的地線上各點之間的電位差能夠造成電路的誤動作，導致電路工作的異常。表2.6導?線?的?阻?抗2.5.2地線環路干擾和抑制電源饋線接入電路后，電路接地，饋線和地線就構成一個環路，如圖2.16所示。當交變磁場穿過這些環路網孔時，在環路中就產生感生電勢em，em=dΦ/dt。em會經過電源饋線(或信號線)產生地環流，對各電路單元造成干擾。這種干擾稱為地線環路干擾。圖2.16地環路的干擾1)使用隔離變壓器如圖2.17所示，采用隔離變壓器可以有效地切斷地環流。但是變壓器繞組之間存在分布電容C，仍然能夠為頻率較高的地環路電流提供通路，因此采用隔離變壓器的方法對高頻地環路電流的抑制效果較差。圖2.17采用隔離變壓器阻隔地環路2)使用光耦合器采用光耦合器阻隔地環流是最常用的方法，如圖2.18所示。用光連接有兩種方法，一是用光耦器件連接，另一種是用光纖連接。光耦器件的分布電容一般只有2pF，即使在高頻工作時也能提供良好的隔離；光纖連接幾乎沒有分布電容，隔離性能最好，但安裝、維護、成本等方面都不如光耦器件。圖2.18采用光耦合阻隔地環流3)使用共模扼流圈當傳輸的信號有直流分量或有很多頻率的交流分量時，就不能用變壓器而應用共模扼流圈隔離，如圖2.19所示。圖2.19共模扼流圈隔離地環流2.5.3公共阻抗耦合干擾和抑制當兩個電路共用一段地線時，由于地線的阻抗，一個電路的地電位會受另一個電路工作電流的調制。這樣一個電路中的信號會耦合進另一個電路，這種耦合稱為公共阻抗耦合，如圖2.20所示。圖2.20公共阻抗耦合1)減少公共地線阻抗的設計只要布局許可，印制板最好做成大平面接地方式。在雙層板上布地線網格時，如有可能，印制板的一面全部用銅箔做成接地平面，另一面作為信號布線。在多層板中專門用一層做電線。大平面接地方式有如下好處：(1)大平面接地可以降低印制電路的對地阻抗，有效地抑制印制板信號線之間的干擾和噪聲。(2)大平面接地起著電磁屏蔽和靜電屏蔽的作用，可減少外界對電路的高頻輻射干擾以及電路對外界的高頻輻射干擾。(3)大平面接地還有良好的散熱效果，其大面積的銅箔猶如金屬散熱片，可迅速向外界散發印制電路板中的熱量。如果無法采用大平面接地，則應在印制電路板的周圍設計接地母線，接地母線的兩端接到系統的公共接地點上。印制板上所有電路的地線都連接到離它最近的接地母線上，以降低地阻抗，如圖2.21所示。接地母線在數字系統和高頻電路中比較適用。接地母線應盡可能寬，其寬度至少為2.5mm。圖2.21接地母線2)并聯單點接地并聯單點接地如圖2.22所示，它是把各電路的地線接在一點上。這種接地方式的優點是不存在公共地線，各電路的接地點只與本電路的地電流和地阻抗有關。圖2.22并聯單點接地這種接地方式的缺點是接地的導線過多。對于相互干擾較少的電路，可以采用串聯單點接地。例如，可以將電路按照強信號、弱信號、模擬信號、數字信號等分類，然后在同類電路內部采用串聯單點接地，在不同類型的電路內部采用并聯單點接地，如圖2.23所示。圖2.23串、并聯單點接地思考題與練習題1.影響電子設備可靠性的主要因素有哪些？2.晶體管散熱器有哪幾類？各有什么特點？3.元器件的篩選與電子設備的可靠性設計有什么關系？篩選的一般原則是什么？4.簡述元器件降額使用與可靠性設計的關系。

5.潮濕、鹽霧、霉菌對電子設備有何危害？如何防范？6.靜電屏蔽時為什么要將屏蔽體直接接地？試說明一般屏蔽物的結構要點。7.試說明電路單元屏蔽的一般原則。8.印制電路板散熱有什么措施？9.在高頻數字電路PCB的布局與布線中如何考慮電磁兼容設計？10.在混合信號電路PCB的布局與布線中如何考慮電磁兼容設計？11.電子設備內部印制板如何布置比較合理？