武器裝備中電子插件板的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)研究

姜廣順，楊召甫

（空軍二十三廠，北京 102200）

1 引言

當(dāng)前，越來(lái)越復(fù)雜多變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，對(duì)武器裝備的環(huán)境適應(yīng)性提出了更高的要求，環(huán)境適應(yīng)性要求已成為軍用電子設(shè)備的重要性能指標(biāo)。有資料顯示：同一設(shè)備，在實(shí)驗(yàn)室條件下使用，若單位時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的故障數(shù)為1次，在野外地面上使用則為2次，艦載使用為10次，機(jī)載為20次，這足以說(shuō)明環(huán)境條件對(duì)設(shè)備的影響非常大，可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障甚至永久性破壞[1]?，F(xiàn)代軍用電子設(shè)備大多是電子插件板密集型產(chǎn)品，電子插件板作為設(shè)備的基本組成單元，其性能穩(wěn)定性、可靠性與環(huán)境條件密切相關(guān)，不斷提高其環(huán)境適應(yīng)性是軍品配套研制廠家亟待解決的技術(shù)難題，也是結(jié)構(gòu)、工藝設(shè)計(jì)人員需要始終關(guān)注并加強(qiáng)研究的課題。

本文結(jié)合科研工作實(shí)際，從熱設(shè)計(jì)優(yōu)化，耐振動(dòng)、抗沖擊，電磁兼容，抗干擾和 “三防”設(shè)計(jì)等方面討論電子插件板環(huán)境適應(yīng)性的設(shè)計(jì)措施。

2 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

2.1 印制電路板的熱設(shè)計(jì)優(yōu)化 [2]

隨著軍用電子產(chǎn)品的體積越來(lái)越小而功能卻越來(lái)越強(qiáng)大，電子元器件的封裝密度也在不斷提高，其熱流密度相應(yīng)地不斷增大。當(dāng)設(shè)備工作在0℃以上的環(huán)境中，設(shè)備內(nèi)部的溫升將導(dǎo)致元器件和零部件的失效率增加，當(dāng)溫度超過(guò)一定的數(shù)值時(shí)，失效率將呈指數(shù)規(guī)律顯著地增大，溫度超過(guò)極限值時(shí)元器件和零部件則出現(xiàn)必然失效。對(duì)于絕大多數(shù)電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，溫度應(yīng)力是影響電子設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性的最主要因素。

印制電路板的熱設(shè)計(jì)就是控制其上安裝的元器件的溫度不超過(guò)規(guī)定值。為了提高電子設(shè)備的可靠性，開展作為設(shè)備基本組成形式之一的電子插件板熱設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中不可忽略的重要環(huán)節(jié)。

a）對(duì)于可能存在散熱問(wèn)題的元器件和集成電路芯片等來(lái)說(shuō)，應(yīng)盡量保留足夠的放置以改善方案的空間，目的是為了放置金屬散熱片和風(fēng)扇等。

b）在進(jìn)行印制電路板的布局過(guò)程中，各個(gè)元器件之間、集成電路芯片之間或者元器件與芯片之間應(yīng)該盡可能地保留空間，目的是利于通風(fēng)和散熱。將溫度敏感的元器件布置在進(jìn)風(fēng)端，低功耗器件置于下方，大功率器件布置在印制電路板的上方，發(fā)熱量大的元器件布置在出風(fēng)端，應(yīng)盡可能地使整個(gè)印制電路板上的熱量分布不過(guò)分集中，尤其是數(shù)字電路印制電路板，應(yīng)盡量使其熱量分布均勻些。將印制電路板中的較高元器件放置在通風(fēng)口，但不要阻擋風(fēng)路。盡量避免交叉安裝元器件，以保證氣流暢通。

c）熱敏元件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件，尤其在精密的模擬檢測(cè)控制系統(tǒng)中，要格外注意這些器件產(chǎn)生的溫度場(chǎng)對(duì)脆弱的前級(jí)放大電路的不利影響。

d）對(duì)于印制電路板中熱量較大的元器件或者集成電路芯片以及散熱元件等，應(yīng)盡量將它們靠近印制電路板的邊緣，以降低熱阻。對(duì)于那些既大又重、發(fā)熱量多的元器件，不宜直接裝在印制板上，應(yīng)裝在整機(jī)的機(jī)箱底板上，且應(yīng)考慮散熱問(wèn)題，必要時(shí)單獨(dú)配接相應(yīng)尺寸的散熱片。

e）在規(guī)則容許之下，風(fēng)扇等散熱部件與需要進(jìn)行散熱的元器件之間的接觸壓力應(yīng)盡可能地大，同時(shí)確認(rèn)兩個(gè)接觸面之間是否完全接觸。

f）對(duì)于采用熱管的散熱解決方案來(lái)說(shuō)，應(yīng)盡量加大和熱管接觸的相應(yīng)面積，以利于發(fā)熱元器件和集成電路芯片等的熱傳導(dǎo)。

2.2 印制電路板的電磁兼容設(shè)計(jì) [3]

在進(jìn)行印制板線路設(shè)計(jì)時(shí)，如果只注重提高密度、減少占用空間、制作簡(jiǎn)單、布置均勻，而忽視線路布局和電磁兼容的影響，就會(huì)使大量的信號(hào)輻射到空間而形成干擾。印制電路板的電特性設(shè)計(jì)是否得當(dāng)，直接影響到板極控制輻射干擾，如果印制電路板設(shè)計(jì)不當(dāng)，就將使載有小功率、高精度的快速邏輯電路、或連接到高阻抗終端的一些導(dǎo)線受到寄生阻抗或介質(zhì)吸收的影響，使印制板電路發(fā)生問(wèn)題。

a）使用多層印制電路板，這樣可從結(jié)構(gòu)上獲得理想的屏蔽效果：以中間層作電源線或地線，將電源線密封在板內(nèi)，兩面做絕緣處理，可使流經(jīng)上下面的開關(guān)電流彼此不影響；印制板內(nèi)層做成大面積的導(dǎo)電區(qū)，各導(dǎo)線面之間有很大的靜電電容，形成阻抗極低的供電線路，可以有效地預(yù)防電路板輻射和接收噪聲。

b）電源線、地線、印制板走線對(duì)高頻信號(hào)應(yīng)保持低阻抗，在頻率很高的情況下，電源線、地線或印制板走線都會(huì)成為接收與發(fā)射干擾的小天線，降低這種干擾的方法除了加濾波電容的方法外，更值得重視的是減少電源線、地線、印制板走線本身的高頻阻抗。因此，各種印制板走線要短而粗、線條要均勻。

c）大功率、高損耗的元器件由于工作電流大，要注意連接大功率元器件的印制板走線，盡量減小這些走線所形成的環(huán)面積，因?yàn)檩椛涓蓴_的大小與環(huán)面積成正比，減小了環(huán)面積就等于減小了這部分的輻射。

d）將強(qiáng)信號(hào)、弱信號(hào)、數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)電路合理地分區(qū)域布置。盡量縮短高頻元件之間的連線，高速信號(hào)線和時(shí)鐘信號(hào)線要盡量縮短，阻、容元件和半導(dǎo)體器件的引線也要盡量剪短，這樣，可有效地減少高頻元件間的分布參數(shù)和相互間的電磁干擾。

e）對(duì)噪聲和干擾非常敏感或高頻噪聲特別嚴(yán)重的電路，應(yīng)該用金屬罩屏蔽起來(lái)。鐵磁屏蔽對(duì)500 kHz高頻噪聲效果并不明顯，采用薄銅皮的屏蔽效果較好。

f）2-W原則：當(dāng)兩條印制線間的距比較小時(shí)，兩線之間會(huì)發(fā)生電磁串?dāng)_，串?dāng)_會(huì)使有關(guān)電路功能失常。為避免發(fā)生這種騷擾，應(yīng)保持任何線條的間距不小于2倍數(shù)印制線條的寬度，即不小于2 W，W為印制線路的寬度。

g）20-H法則：對(duì)于多層線路板，地線面的邊沿要比電源層或信號(hào)線層的邊沿外延出20 H，H是地線面與信號(hào)線層之間的高度。

h）I/O驅(qū)動(dòng)電路盡量靠近印制電路板邊，I/O接口上的濾波器盡量靠近電纜進(jìn)出口。

i）時(shí)鐘線垂直于I/O線比平行于I/O線的干擾小。盡量使時(shí)鐘信號(hào)電路周圍的電勢(shì)趨近于0，用地線將時(shí)鐘區(qū)圈起來(lái)，高速時(shí)鐘線盡量短，不要換層，拐角不要90度，盡量遠(yuǎn)離I/O端口。

2.3 電子插件板的抗干擾設(shè)計(jì)

為了保證武器裝備的可靠性要求，在進(jìn)行電子插件板設(shè)計(jì)時(shí)，除了必須滿足一般的設(shè)計(jì)要求外，還應(yīng)該考慮其它的一些抗干擾設(shè)計(jì)措施。

a）在設(shè)計(jì)時(shí)可以使元器件按不同的方向排列，易受干擾的元器件相互間不能靠得太近，金屬外殼的元器件還要避免相互碰觸，以防止造成短路。

b）相關(guān)電路的元器件要盡量靠近，但輸入、輸出電路元件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離，防止輸入、輸出端之間造成不良的影響。應(yīng)按照信號(hào)的流程逐個(gè)安置、排列不同功能元器件的位置，使布局便于信號(hào)流通并使信號(hào)流向盡可能保持一致的方向。若電路中某些元器件或連線之間，在工作時(shí)存在較高的電位差時(shí)，則應(yīng)該加大它們之間的間隔距離，以避免因放電擊穿，造成意外短路。

c）在印制電路板上布置邏輯電路，原則上應(yīng)在輸出端子附近放置高速電路，如光電隔離器；在稍遠(yuǎn)處放置低速電路和存儲(chǔ)器等，以便處理公共阻抗的耦合、輻射和串?dāng)_等問(wèn)題。在輸入輸出端放置緩沖器，用于板間信號(hào)傳送，可有效地防止噪聲干擾。

d）電路板上裝有高壓、大功率器件時(shí)，與低壓、小功率器件應(yīng)保持一定的間距，盡量分開布線。在大功率、大電流元器件周圍不宜布設(shè)熱敏器件或運(yùn)算放大器等，以免產(chǎn)生感應(yīng)或溫漂。

e）恰當(dāng)布置地線，印制板在兩根信號(hào)線之間，加一根地線進(jìn)行隔離并盡量加寬地線，使地電流局限在盡可能小的范圍內(nèi)。盡量避免兩根信號(hào)線長(zhǎng)距離平行走線，可根據(jù)電路的特點(diǎn)采用：一次接地、二次接地、弱信號(hào)地、大功率地、模擬地、數(shù)字地等各種接地措施，以減少電路與地線之間的電流耦合，如信號(hào)電路與電源電路的接地先要分開，繼電器電路應(yīng)當(dāng)在最大電流點(diǎn)單點(diǎn)接地。

f）妥善布設(shè)外連信號(hào)線，盡量縮短輸入引線，提高輸入端阻抗。對(duì)模擬信號(hào)輸入端最好加以屏蔽，當(dāng)板上同時(shí)有模擬、數(shù)字信號(hào)時(shí)，宜將兩者的地線隔離，以免相互干擾。

2.4 電子插件板的耐振動(dòng)、抗沖擊設(shè)計(jì)

隨著現(xiàn)代武器裝備的發(fā)展，移動(dòng)或車載電子設(shè)備越來(lái)越多，電子設(shè)備在實(shí)際的工作環(huán)境中受到的機(jī)械力有各種形式，如振動(dòng)、沖擊與機(jī)械運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦，而對(duì)電子設(shè)備危害最大的是振動(dòng)和沖擊，造成設(shè)備在某一激振頻率的作用下發(fā)生共振而損壞，或是疲勞破壞，以及防潮和密封失效等。因此，必須從印制板組件、插件模塊、盒式插件模塊和插箱模塊等一些典型通用模塊的設(shè)計(jì)開始，到專用模塊，如冷卻模塊、隔振模塊等模塊的設(shè)計(jì)，形成一個(gè)體系。解決好這些模塊的密封、屏蔽、抗振設(shè)計(jì)，提高其抗惡劣環(huán)境的能力，從而提高整個(gè)設(shè)備對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)性。

a）增強(qiáng)電子插件板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度，提高元器件承受振動(dòng)、沖擊的能力；強(qiáng)化小型化設(shè)計(jì)，選用小型化元件和標(biāo)準(zhǔn)電子模塊，采用表面貼裝技術(shù)和高密度組裝技術(shù)，芯片焊接固定不采用插座。

b）選用導(dǎo)熱條（板）式印制板，電路固定采用楔形鎖緊裝置，其鎖緊力大，維修性好，接觸熱阻也小。

c）對(duì)于連接器等受力強(qiáng)度較大的元件，采取加大焊盤或采取加固件的方法合理固定，保證長(zhǎng)期插拔使用的可靠性。應(yīng)根據(jù)裝備的可靠性指標(biāo)要求合理選擇線簧式或片簧式連接器，線簧式連接器插孔的失效率為10-8～10-9，片簧式連接器插孔失效率為10-6～10-7，當(dāng)設(shè)備的可靠性要求較高時(shí)，應(yīng)選用線簧式連接器。

d）為了防止重力過(guò)分集中引起印制板變形，盡量把較重的大元件安排在印制板的四邊上，必要時(shí)加結(jié)構(gòu)件進(jìn)行矯正。對(duì)于質(zhì)量超過(guò)15 g直接安裝在印制電路板上的較大元器件，應(yīng)考慮用金屬支架來(lái)固定支撐，以提高耐振沖性能。不能僅靠元器件自身的引腳焊接作為固定，應(yīng)留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置，為此，電路板應(yīng)具有合理的形狀，板上的各種孔（螺釘孔、異型孔）的位置要合理安排。一般孔與板邊的距離至少要大于孔的直徑。同時(shí)還要注意異型孔造成的板的最薄弱截面也應(yīng)具有足夠的抗彎強(qiáng)度。

e）電路板面尺寸大于200 mm×150 mm時(shí)，應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)卦黾与娐钒宓暮穸?，以確保具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度。

f）高、中頻電路屏蔽盒內(nèi)外的元器件距盒壁應(yīng)有2 mm以上的距離。

g）多層印制板上不裝元器件的金屬化孔應(yīng)規(guī)定用錫補(bǔ)焊，以確保印制電路板層間電氣的互連可靠。印制板上裝有許多元件時(shí)，可用甲基硅橡膠封裝，使之成為一個(gè)整體，消除元件與印制板間的相互耦合振動(dòng)。

2.5 電子插件板的 “三防”設(shè)計(jì) [4]

電子產(chǎn)品的三防能力就是指產(chǎn)品抗潮濕、鹽霧和霉菌的能力。潮濕、鹽霧和霉菌對(duì)電子設(shè)備有很大的影響，它們會(huì)使機(jī)內(nèi)凝聚水汽，降低絕緣電阻，元件的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗增大，塑料變形，金屬腐蝕，材料變質(zhì)，使所有的有機(jī)材料和部分無(wú)機(jī)材料受到霉菌的侵蝕而降低強(qiáng)度，從而使設(shè)備的壽命和可靠性受到影響。

三防技術(shù)涉及到材料、元器件、電路、結(jié)構(gòu)和工藝等多方面的工作，要提高電子產(chǎn)品的三防能力，必須從產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)到制造全過(guò)程注入三防設(shè)計(jì)理念和三防處理工藝的保障。

三防設(shè)計(jì)理念的注入，可保證產(chǎn)品的電路、元器件、原材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有抗環(huán)境變化的優(yōu)勢(shì)；而三防處理工藝則可以保障改變和補(bǔ)充設(shè)計(jì)三防能力的不足，提升電路、元器件和材料抗環(huán)境變化的能力。

a）電路設(shè)計(jì)根據(jù)三防要求的不同，采取不同的電路設(shè)計(jì)和元器件等的選用，以保證元器件等在環(huán)境條件下的可靠性。例如：在設(shè)計(jì)印制電路時(shí)要保證導(dǎo)帶線足夠?qū)?，而面積太大的接地面積要網(wǎng)格化以減少應(yīng)力。如要對(duì)帶元器件的印制板采取噴清漆保護(hù)時(shí)，就需要指明哪些元器件要保護(hù)不噴清漆。

b）為保證產(chǎn)品在鹽霧、霉菌和潮濕環(huán)境條件下正常工作，選擇防腐、防霉、防老化材料、優(yōu)良的鍍層和涂料，采用良好的密封措施。對(duì)于不能滿足功能性或三防性能要求的材料，應(yīng)當(dāng)考慮采用噴漆、噴塑、膠粘和灌封等方法進(jìn)行處理，以滿足其要求。

c）三防設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)考慮后續(xù)噴漆、噴塑、膠粘和灌封等所占用的厚度尺寸，以及相應(yīng)的尺寸對(duì)三防性能的影響，如孔因鍍涂而變小的問(wèn)題。

對(duì)印制板噴保護(hù)清漆時(shí)，為保證它的良好浸潤(rùn)，在遇有涂抹導(dǎo)熱硅酯時(shí)應(yīng)采取專人涂抹等措施，以防導(dǎo)熱硅酯粘附在不需要的地方。

對(duì)于需要點(diǎn)加固401系列硅橡膠的印制板，應(yīng)采取室溫下調(diào)試完成后，送噴清漆，而后再點(diǎn)加固401系列硅橡膠的處理工藝流程。

3 結(jié)束語(yǔ)

武器裝備中電子設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)涉及面廣，需要解決的問(wèn)題比較多，但其作為軍用電子設(shè)備的一項(xiàng)主要性能指標(biāo)，以及提高設(shè)備可靠性、延長(zhǎng)使用壽命的重要手段，必須加以重視。應(yīng)該將環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)貫徹到電子插件板、部（組）件等一些典型模塊的開發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造全過(guò)程。積極吸收、采用新的設(shè)計(jì)思想和材料、先進(jìn)技術(shù)和成熟的工藝對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)。解決好這些基本組成單元的耐氣候、機(jī)械、電磁以及生物、化學(xué)環(huán)境能力，從而提高整個(gè)設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性和使用可靠性。

[1]生建友，關(guān)志強(qiáng).軍用電子設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)有關(guān)問(wèn)題探討 [J].裝備環(huán)境工程，2009，6（3）：80-83.

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