关于电子设备的结构设计与制造工艺

 

1 概述

不论什么电子设备的设计都离不开结构设计。产品结构设计与工艺技术的好坏，对产品的功能、电气性能及使用寿命起着决定性作用。

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，要通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。目前，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。

2结构设计与制造工艺基本要求

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，结构设计与制造工艺的基本要求如下：

（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。

（3）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。

（4）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。

（5）通过合理的布线、线路设计和接地，从电路方面减少电磁干扰对设备的影响。

 

 

2 结构设计

2.1 结构设计原则

结构设计的任务就是要采取合理有效措施，保证系统各部分在实际的使用环境条件下正常地工作，确保其环境的适应性和总体设计功能的实现，同时满足系统的可靠性、使用性、维修性、安全性、机动性、经济性及美观、实用等要求，主要应遵循以下设计原则：

（1）按照所引用的各类标准及要求进行结构设计；

（2）注重应用已有的先进技术、吸取已有设备的优点和成熟技术，优先采用经实践证明的可靠的设计；

（3）贯彻标准化、模块化、系列化设计思想，以提高设备的可靠性、互换性、降低成本、缩短研制周期；

（4）提高设备集成度，力求做到体积小、重量轻、便于拆装及维修，便于携带、运输，提高设备的机动性；

（5）各分机（或分系统）结构设计应当满足各分机结构设计交接单要求；

（6）各分机（或分系统）内部元器件的布置应均匀、整齐、美观，安装牢固、可靠，可维修性好，尽可能地满足正面维修的要求；

（7）系统适合在复杂地理条件下携带、使用。

2.2 三防设计

通过合理选材，降低面与面互相接触的金属之间的电位差，避免接触腐蚀，对于必须把不允许接触的金属组装在一起时，应采取如下措施：

（1） 在一种金属上镀以允许与另一种金属相接触的金属镀层；

（2） 在两种金属之间涂覆保护层或放置过渡衬垫；

（3） 尽量减少盲孔，如不可避免时，其深度必须在其孔径的50%以内，直径应尽量大些；

（4） 避免积水结构；

（5） 在主要工作面，应避免或少用焊缝，且需保证焊接质量；

（6） 采用小阴极、大阳极结构。例如不锈钢和铝虽是不允许的电化耦，但不锈钢是阴极，故在实际使用中可用不锈钢紧固件安装铝合金零件；

（7） 在调试、检验完毕，所有插件、组合内部喷三防漆。

表面镀涂和化学处理要求如下：

（1）电镀、化学镀、阳极化、化学氧化、磷化等处理，应在零件完成所有的机械加工工序之后进行；

（2）一般镀覆件镀覆前表面粗糙度应不大于Ra12.5，无油漆覆盖层的金属件表面粗糙度应不大于Ra6.3，有光亮要求的零件表面粗糙度应不大于Ra1.6；

（3）铸造的金属零件，原则上不允许采用电镀和化学处理，若必须镀覆时，应将表面的孔隙减少，以至消除，或用适当材料封填铸造微孔后再镀覆，并加强清洗；

（4）循环承受复杂载荷的零件，如弹簧、齿轮等，镀前应进行喷丸处理，以引入有益的压应力，提高疲劳强度，改善抗应力腐蚀破裂的性能。

结构件表面施加覆盖层要求如下：

（1）所有金属结构件（不锈钢除外）必须进行表面处理；

（2）钢件优先采用镀锌后钝化成彩虹色或喷砂处理后再进行喷铝处理的方法；

（3）有导电性能要求的铝件采用化学导电氧化并浸刷电接触保护剂，镁合金采用镀半光亮镍处理；无导电要求的铝件采用阳极氧化处理，镁合金采用等离子微弧氧化处理；暴露在自然环境中的结构件除上述方法处理外，还应涂漆保护；

（4）对热固性塑料和层压塑料以及吸湿性高、透湿性大的非金属材料，在切削加工后，采取浸涂处理；

（5）对于铆接件和点焊件，先镀覆或化学处理后再铆接或点焊，被铆接及点焊所破坏的镀层及化学处理层的部位，用防腐材料进行涂覆处理；

（6）对于焊接件必须施加覆盖层；

（7）弹性零件镀锌、镀镍以及镀硬铬后，应进行去氢处理，以免氢脆断裂。

2.3电磁兼容性设计

电磁兼容性(electromagnetic compatibility缩写ＥＭＣ)，就是指某电子设备既不干扰其它设备，同时也不受其它设备的影响。电磁兼容性和我们所熟悉的安全性一样，是产品质量最重要的指标之一。安全性涉及人身和财产，而电磁兼容性则涉及人身和环境保护。在我们的日常生活中经常会遇到这样一些情况，在我们正常收听广播或收看电视节目的时候如果户外有汽车驶过，很容易造成收听或收看质量下降，还有当我们在家玩电子游戏机时，常常造成邻居家电视机的某些频道无法正常收看；同样邻居家在玩游戏机时也会影响自家电视机的接收效果。这样的例子足以说明，在我们日常生活的空间确实存在着另外一种环境污染——电磁污染。可以这样说，凡有电、有开关的设备均会产生电磁干扰。

2.3.1 电磁兼容要素分析

电磁环境主要由三个部分组成：电磁干扰源、偶和路径、接收器。如图1电磁干扰模型。

 

图1 电磁干扰模型组成

a) 电磁干扰源

电磁干扰源包括微处理器、微控制器、静电放电、传送器、瞬时功率执行元件，比如说：机电式继电器、开关电源、闪电等。在一个微控制器系统里，时钟电路通常是最大的宽带噪声发生器，而这个噪声被分散到了整个频谱。随着大量的高速半导体器件的应用，其边沿跳变速率非常快，这种电路可以产生高达 300MHZ 的谐波干扰。

b) 耦合路径

噪声被耦合到电路中最简单的方式是通过导体的传递。如果一条导线在一个有噪声的环境中经过，这条导线通过感应将接受这个噪声并且将它传递到电路的其余部分。噪声通过电源线进入系统，就是这种的耦合的一种情况。由电源线携带的噪声就被传到了整个电路。耦合也能发生在有共享负载（阻抗）的电路中。例如，两个电路共享一条提供电源电压的导线，并且共享一条接地的导线。如果一个电路要求提供一个突发的电流，由于两个电路共享共同的电源线和同一个电源内阻，则另一个电路的电源电压将会下降。该耦合的影响能通过减少共同的阻抗来削弱。但不幸的是，电源内阻抗是固定的而不能被降低，这种情况也同样发生在接地的导线中。在一个电路中流动的数字返回电流在另一个电路的接地回路中产生了地电位的变动。若接地不稳定，则将会严重的降低运算放大器、模数转换器和传感器等低电平模拟电路的性能。同样，对每个电路都共享的电磁场的辐射也能产生耦合。当电流改变时，就会产生电磁波。这些电磁波能耦合到附近的导体中并且干扰电路中的其它信号。

c) 接收器（受体）

所有的电子电路都可以接受传送的电磁干扰。 虽然一部分电磁干扰可通过射频被直接接受，但大多数是通过瞬时传导被接受的。在数字电路中，临界信号最容易受到电子干扰。

2.3.2 电磁兼容性设计通用措施

保证设备电磁兼容性能的基本技术思路是：控制干扰源的发射、抑制干扰信号的传播及增强设备的抗干扰能力。

普遍采用的措施有：

a)  硬件电路设计和PCB布局设计

硬件电路是电磁干扰的源头，也是电磁兼容设计的关键环节，在设备设计中充分分析了电磁兼容需求，在电路设计和PCB布局设计中采取有效措施，抑制干扰源的发射水平。

b)  屏蔽设计

将设备或模块用结构件封闭，抑制电磁波从空间辐射出去或辐射进来，降低设备的对外辐射，提高设备抗外部辐射干扰的能力。

c)  滤波设计

滤波可把有用信号频谱以外的干扰信号进行抑制，既可抑制对外干扰，也能够抑制外部干扰信号对设备的影响。

d)  接地设计

接地的主要目的是在产品内部形成一个低阻抗回路以及等电位连接，可有效的抑制噪声的防止干扰。

上述措施既可以阻断设备作为干扰源对外的传导和辐射，也可以隔离外部干扰通过电缆和空间路径对设备的干扰，是具有通用性的措施。

3 制造工艺

电子设备是由元器件、组件、连线及零部件等按要求组装而成，只有通过合理的布局、妥善安排其位置，才能有利于保证技术指标的实现，并保证稳定可靠地工作。

3.1 元器件的布局原则

电子设备、组件中元器件的布局，应遵循以下原则：

（1）元器件布局应保证电性能指标的实现；

（2）元器件布局要有利于布线；

（3）元器件布局要有利于结构安装；

（4）元器件布局应有利于散热和耐冲击振动。

3.2 组装结构工艺

目前，电子设备的组装结构多采用整机、分机、电路单元或整件、印制电路板或组件等分级组装结构形式，其组装结构形式和组装工艺相一致。这种分级组装结构不仅在电路上具有一定的独立性，而且在结构上和工艺上也具有相对的独立性。采用分级组装结构的好处是便于组织生产（装配和调试），也便于维修检验。

在整机结构设计时，为了保证质量、提高可靠性、便于组织生产应遵循以下工艺性原则：

（1）布局、布线要有利于装配，应避免因布局位置不当而造成无法装配或装配困难；

（2）各整件和零件间的机械装配，在结构上应具有可调环节，以保证装配精度；

（3）在结构上所采用的连接结构，要安装方便可靠，尽可能采用有效的新型连接结构。如对不可拆卸连接可采用压合和胶合；对可拆卸连接采用快速拆卸锁扣、自攻螺钉；

（4）整机中的易损坏元器件和需要经常更换的元器件，在装拆更换时要十分方便，并且在装拆时不需要先拆除其它元件、部件。在装配流水线上这些易损坏元器件要有可能最后装配；

（5）装配结构合理，装配顺序合理，有利于组织生产。结构安装、组装形式要便于检测、调整和调试。

3.3印制电路板装配工艺

印制电路板装配主要包括把元件插入到印制电路板中并加以焊接两道工艺。插入元件的工件由手工或高速专用的机械来完成，前者简单易行,但效率低,误装率高。而后者安装速度快,误装率低,但设备成本高，引线成形要求严格。元器件的安装方法,一般有以下几种形式：

1 贴板安装

元器件贴紧印制基板面，安装间隙小于1mm。若元器件外壳是金属的，安装面又有印制导线时，应加垫绝缘衬垫或套绝缘套管。这种方法优点是：元器件稳定性好、受振动时不易脱落。

2 悬空安装

元器件插装后距印制板面3～8mm高。这种方法有利于元器件散热。

3 垂直安装

元器件垂直于印制基板面插装，这种方法有利于提高元器件的组装密度，拆卸方便，但不抗振。电容、三极管多数采用这种方法。

4 埋头安装(嵌入式安装)

将元器件的壳体埋于印制基板的嵌入孔内，这种方法有利于元器件抗振，并降低了安装高度。

5 有高度限制时的安装

将元器件的垂直插入后，再朝水平方向弯曲。对大型元件要特殊处理，以保证有足够机械强度，经得起振动和冲击。

6 支架固定安装

用金属支架将元器件固定在印制基板上，这种方法适用于重量较大的元器件，如小型继电器、变压器、阻流圈等。