姜廣順，楊召甫

（空軍二十三廠，北京 102200）

1 引言

當前，越來越復雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境，對武器裝備的環(huán)境適應性提出了更高的要求，環(huán)境適應性要求已成為軍用電子設備的重要性能指標。有資料顯示：同一設備，在實驗室條件下使用，若單位時間內(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，機載為20次，這足以說明環(huán)境條件對設備的影響非常大，可能會導致設備出現(xiàn)故障甚至永久性破壞[1]?，F(xiàn)代軍用電子設備大多是電子插件板密集型產(chǎn)品，電子插件板作為設備的基本組成單元，其性能穩(wěn)定性、可靠性與環(huán)境條件密切相關，不斷提高其環(huán)境適應性是軍品配套研制廠家亟待解決的技術難題，也是結構、工藝設計人員需要始終關注并加強研究的課題。

本文結合科研工作實際，從熱設計優(yōu)化，耐振動、抗沖擊，電磁兼容，抗干擾和 “三防”設計等方面討論電子插件板環(huán)境適應性的設計措施。

2 環(huán)境適應性設計

2.1 印制電路板的熱設計優(yōu)化 [2]

隨著軍用電子產(chǎn)品的體積越來越小而功能卻越來越強大，電子元器件的封裝密度也在不斷提高，其熱流密度相應地不斷增大。當設備工作在0℃以上的環(huán)境中，設備內(nèi)部的溫升將導致元器件和零部件的失效率增加，當溫度超過一定的數(shù)值時，失效率將呈指數(shù)規(guī)律顯著地增大，溫度超過極限值時元器件和零部件則出現(xiàn)必然失效。對于絕大多數(shù)電子設備來說，溫度應力是影響電子設備穩(wěn)定性和可靠性的最主要因素。

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

a）對于可能存在散熱問題的元器件和集成電路芯片等來說，應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扇等。

b）在進行印制電路板的布局過程中，各個元器件之間、集成電路芯片之間或者元器件與芯片之間應該盡可能地保留空間，目的是利于通風和散熱。將溫度敏感的元器件布置在進風端，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端，應盡可能地使整個印制電路板上的熱量分布不過分集中，尤其是數(shù)字電路印制電路板，應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口，但不要阻擋風路。盡量避免交叉安裝元器件，以保證氣流暢通。

c）熱敏元件應遠離發(fā)熱元件，尤其在精密的模擬檢測控制系統(tǒng)中，要格外注意這些器件產(chǎn)生的溫度場對脆弱的前級放大電路的不利影響。

d）對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，應盡量將它們靠近印制電路板的邊緣，以降低熱阻。對于那些既大又重、發(fā)熱量多的元器件，不宜直接裝在印制板上，應裝在整機的機箱底板上，且應考慮散熱問題，必要時單獨配接相應尺寸的散熱片。

e）在規(guī)則容許之下，風扇等散熱部件與需要進行散熱的元器件之間的接觸壓力應盡可能地大，同時確認兩個接觸面之間是否完全接觸。

f）對于采用熱管的散熱解決方案來說，應盡量加大和熱管接觸的相應面積，以利于發(fā)熱元器件和集成電路芯片等的熱傳導。

2.2 印制電路板的電磁兼容設計 [3]

在進行印制板線路設計時，如果只注重提高密度、減少占用空間、制作簡單、布置均勻，而忽視線路布局和電磁兼容的影響，就會使大量的信號輻射到空間而形成干擾。印制電路板的電特性設計是否得當，直接影響到板極控制輻射干擾，如果印制電路板設計不當，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)生問題。

a）使用多層印制電路板，這樣可從結構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)上下面的開關電流彼此不影響；印制板內(nèi)層做成大面積的導電區(qū)，各導線面之間有很大的靜電電容，形成阻抗極低的供電線路，可以有效地預防電路板輻射和接收噪聲。

b）電源線、地線、印制板走線對高頻信號應保持低阻抗，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，因為輻射干擾的大小與環(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）將強信號、弱信號、數(shù)字信號和模擬信號電路合理地分區(qū)域布置。盡量縮短高頻元件之間的連線，高速信號線和時鐘信號線要盡量縮短，阻、容元件和半導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）對噪聲和干擾非常敏感或高頻噪聲特別嚴重的電路，應該用金屬罩屏蔽起來。鐵磁屏蔽對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：當兩條印制線間的距比較小時，兩線之間會發(fā)生電磁串擾，串擾會使有關電路功能失常。為避免發(fā)生這種騷擾，應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：對于多層線路板，地線面的邊沿要比電源層或信號線層的邊沿外延出20 H，H是地線面與信號線層之間的高度。

h）I/O驅(qū)動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出口。

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

2.3 電子插件板的抗干擾設計

為了保證武器裝備的可靠性要求，在進行電子插件板設計時，除了必須滿足一般的設計要求外，還應該考慮其它的一些抗干擾設計措施。

a）在設計時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）相關電路的元器件要盡量靠近，但輸入、輸出電路元件應盡量遠離，防止輸入、輸出端之間造成不良的影響。應按照信號的流程逐個安置、排列不同功能元器件的位置，使布局便于信號流通并使信號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，在工作時存在較高的電位差時，則應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，原則上應在輸出端子附近放置高速電路，如光電隔離器；在稍遠處放置低速電路和存儲器等，以便處理公共阻抗的耦合、輻射和串擾等問題。在輸入輸出端放置緩沖器，用于板間信號傳送，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，與低壓、小功率器件應保持一定的間距，盡量分開布線。在大功率、大電流元器件周圍不宜布設熱敏器件或運算放大器等，以免產(chǎn)生感應或溫漂。

e）恰當布置地線，印制板在兩根信號線之間，加一根地線進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)。盡量避免兩根信號線長距離平行走線，可根據(jù)電路的特點采用：一次接地、二次接地、弱信號地、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，如信號電路與電源電路的接地先要分開，繼電器電路應當在最大電流點單點接地。

f）妥善布設外連信號線，盡量縮短輸入引線，提高輸入端阻抗。對模擬信號輸入端最好加以屏蔽，當板上同時有模擬、數(shù)字信號時，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、抗沖擊設計

隨著現(xiàn)代武器裝備的發(fā)展，移動或車載電子設備越來越多，電子設備在實際的工作環(huán)境中受到的機械力有各種形式，如振動、沖擊與機械運動所產(chǎn)生的摩擦，而對電子設備危害最大的是振動和沖擊，造成設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計開始，到專用模塊，如冷卻模塊、隔振模塊等模塊的設計，形成一個體系。解決好這些模塊的密封、屏蔽、抗振設計，提高其抗惡劣環(huán)境的能力，從而提高整個設備對惡劣環(huán)境的適應性。

a）增強電子插件板結構的強度、剛度，提高元器件承受振動、沖擊的能力；強化小型化設計，選用小型化元件和標準電子模塊，采用表面貼裝技術和高密度組裝技術，芯片焊接固定不采用插座。

b）選用導熱條（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）對于連接器等受力強度較大的元件，采取加大焊盤或采取加固件的方法合理固定，保證長期插拔使用的可靠性。應根據(jù)裝備的可靠性指標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，當設備的可靠性要求較高時，應選用線簧式連接器。

d）為了防止重力過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，必要時加結構件進行矯正。對于質(zhì)量超過15 g直接安裝在印制電路板上的較大元器件，應考慮用金屬支架來固定支撐，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。同時還要注意異型孔造成的板的最薄弱截面也應具有足夠的抗彎強度。

e）電路板面尺寸大于200 mm×150 mm時，應考慮適當?shù)卦黾与娐钒宓暮穸?，以確保具有足夠的機械強度。

f）高、中頻電路屏蔽盒內(nèi)外的元器件距盒壁應有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規(guī)定用錫補焊，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，可用甲基硅橡膠封裝，使之成為一個整體，消除元件與印制板間的相互耦合振動。

2.5 電子插件板的 “三防”設計 [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、鹽霧和霉菌對電子設備有很大的影響，它們會使機內(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)，使所有的有機材料和部分無機材料受到霉菌的侵蝕而降低強度，從而使設備的壽命和可靠性受到影響。

三防技術涉及到材料、元器件、電路、結構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)設計到制造全過程注入三防設計理念和三防處理工藝的保障。

三防設計理念的注入，可保證產(chǎn)品的電路、元器件、原材料及結構設計具有抗環(huán)境變化的優(yōu)勢；而三防處理工藝則可以保障改變和補充設計三防能力的不足，提升電路、元器件和材料抗環(huán)境變化的能力。

a）電路設計根據(jù)三防要求的不同，采取不同的電路設計和元器件等的選用，以保證元器件等在環(huán)境條件下的可靠性。例如：在設計印制電路時要保證導帶線足夠?qū)挘娣e太大的接地面積要網(wǎng)格化以減少應力。如要對帶元器件的印制板采取噴清漆保護時，就需要指明哪些元器件要保護不噴清漆。

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。對于不能滿足功能性或三防性能要求的材料，應當考慮采用噴漆、噴塑、膠粘和灌封等方法進行處理，以滿足其要求。

c）三防設計應當考慮后續(xù)噴漆、噴塑、膠粘和灌封等所占用的厚度尺寸，以及相應的尺寸對三防性能的影響，如孔因鍍涂而變小的問題。

對印制板噴保護清漆時，為保證它的良好浸潤，在遇有涂抹導熱硅酯時應采取專人涂抹等措施，以防導熱硅酯粘附在不需要的地方。

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

3 結束語

武器裝備中電子設備的環(huán)境適應性設計涉及面廣，需要解決的問題比較多，但其作為軍用電子設備的一項主要性能指標，以及提高設備可靠性、延長使用壽命的重要手段，必須加以重視。應該將環(huán)境適應性設計貫徹到電子插件板、部（組）件等一些典型模塊的開發(fā)設計、生產(chǎn)制造全過程。積極吸收、采用新的設計思想和材料、先進技術和成熟的工藝對產(chǎn)品進行環(huán)境適應性設計。解決好這些基本組成單元的耐氣候、機械、電磁以及生物、化學環(huán)境能力，從而提高整個設備的環(huán)境適應性和使用可靠性。

[1]生建友，關志強.軍用電子設備環(huán)境適應性設計有關問題探討 [J].裝備環(huán)境工程，2009，6（3）：80-83.

[2]畢錦棟，張三娣，鄭麗香.基于TASPCB的PCB熱分析、熱設計技術探討 [J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2009，27（4）： 42-48.

[3]莫世禹.通信及控制系統(tǒng)設備中的電磁兼容設計方法[J].環(huán)境技術，2008，（6）：50-55.

[4]陳全壽.如何提高產(chǎn)品的三防能力 [J].環(huán)境技術，2009，（1）： 29-32.