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可靠性電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)知識(shí)

熱設(shè)計(jì)是隨著通訊和信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而出現(xiàn)的一個(gè)較新的行業(yè),且越來(lái)越被重視。隨著通訊和信息產(chǎn)品性能的不斷提升和人們對(duì)于通訊和信息設(shè)備便攜化和微型化要求的不斷提升,信息設(shè)備的功耗不斷上升,而體積趨于減小,高熱流密度散熱需求越來(lái)越迫切 。

熱設(shè)計(jì)是采用適當(dāng)可靠的方法控制產(chǎn)品內(nèi)部所有電子元器件的溫度,使其在所處的工作環(huán)境條件下不超過(guò)穩(wěn)定運(yùn)行要求的最高溫度,以保證產(chǎn)品正常運(yùn)行的安全性,長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性 。此外,低溫環(huán)境下控制加熱量而使設(shè)備啟動(dòng)也是熱可靠性的重要內(nèi)容。


一、電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)的目的

電子產(chǎn)品在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同程度的熱能,尤其是一些功耗較大的元器件,如變壓器、大功率晶體管、電力電子器件、大規(guī)模集成電路、功率損耗大的電阻等,實(shí)際上它們是一個(gè)熱源,會(huì)使產(chǎn)品的溫度升高。在溫度發(fā)生變化時(shí),幾乎所有的材料都會(huì)出現(xiàn)膨脹或收縮現(xiàn)象,這種膨脹或收縮會(huì)引起零件間的配合、密封及內(nèi)部的應(yīng)力問(wèn)題。溫度不均引起的局部應(yīng)力集中是有害的,金屬結(jié)構(gòu)在加熱或冷卻循環(huán)作用下會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力,從而導(dǎo)致金屬因疲勞而毀壞。另外,對(duì)于電子產(chǎn)品而言,元器件都有一定的工作溫度范圍,如果超過(guò)其溫度極限,會(huì)引起電子產(chǎn)品工作狀態(tài)的改變,縮短使用壽命,甚至損壞,導(dǎo)致電子產(chǎn)品不能穩(wěn)定、可靠地工作。
電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)的主要目的就是通過(guò)合理的散熱設(shè)計(jì),降低產(chǎn)品的工作溫度,控制電子產(chǎn)品內(nèi)部所有元器件的溫度,使其在所處的工作環(huán)境溫度下,以不超過(guò)規(guī)定的最高允許溫度正常工作,避免高溫導(dǎo)致故障,從而提高產(chǎn)品的可靠性。

二、電子產(chǎn)品散熱系統(tǒng)簡(jiǎn)介

熱傳遞的三種基本方式是傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射,對(duì)應(yīng)的散熱方式為:傳導(dǎo)散熱、對(duì)流散熱和輻射散熱。

典型的散熱系統(tǒng)介紹如下

1)自然冷卻系統(tǒng)
自然冷卻系統(tǒng)是指電子產(chǎn)品所產(chǎn)生的熱量通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射三種方式自然地散發(fā)到周?chē)目諝庵校ōh(huán)境溫度略微升高),再通過(guò)空調(diào)等其他設(shè)備降低環(huán)境溫度,達(dá)到散熱的目的。此類(lèi)散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則是:盡可能減少傳遞熱阻,增加產(chǎn)品中的對(duì)流風(fēng)道和換熱面積,增大產(chǎn)品外表的輻射面積。自然冷卻是最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)的冷卻方法,但散熱量不大,一般用于熱流密度不大的產(chǎn)品中。
 
(2)強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)
強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)是指利用風(fēng)機(jī)等設(shè)備將冷空氣吹到產(chǎn)品表面或內(nèi)部,從而快速帶走熱量的散熱方式。強(qiáng)迫風(fēng)冷按照風(fēng)機(jī)的工作方式分為抽風(fēng)冷卻和吹風(fēng)冷卻。當(dāng)設(shè)備熱源分布均勻時(shí)采用抽風(fēng)冷卻,非均勻熱源采用吹風(fēng)冷卻。根據(jù)產(chǎn)品發(fā)熱量的大小,對(duì)所選的風(fēng)機(jī)及風(fēng)機(jī)的安排方式都有特別的要求(如氣流的流量、壓力、噪聲等)。
 
按照空氣流經(jīng)發(fā)熱元器件的方向,強(qiáng)迫風(fēng)冷還可分為橫向通風(fēng)冷卻、縱向通風(fēng)冷卻和縱出通風(fēng)冷卻。橫向通風(fēng)冷卻就是冷空氣通過(guò)靜壓風(fēng)道再流向需散熱的元器件或散熱器,發(fā)生換熱后,熱空氣從設(shè)備的另一側(cè)排出??v向通風(fēng)冷卻用于平行安裝的印制板組裝件等,空氣換熱后,熱空氣從產(chǎn)品的另一側(cè)排出??v出通風(fēng)冷卻多用于垂直安裝的印制板組裝件等,空氣從下部進(jìn)入產(chǎn)品,熱空氣從上部排出。
 
在設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)時(shí),需合理布置各個(gè)發(fā)熱元器件,發(fā)熱少、耐溫差的元器件排在氣流的上游,然后按耐熱性由低到高排列,這種冷卻方式多用于發(fā)熱量不大的設(shè)備。
 
自然冷卻和強(qiáng)迫風(fēng)冷都屬于直接冷卻方法,與間接冷卻方法相比,該類(lèi)冷卻方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低,多用于熱流密度較高的產(chǎn)品。
 
(3)氣冷式冷板散熱系統(tǒng)
氣冷式冷板散熱系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)為空氣,該系統(tǒng)一般由蓋板、肋片、底板和封裝組成。肋片是冷板的主要零件,也是組成擴(kuò)散表面的基本部分,肋片材料一般為鋁材或銅材,在機(jī)載產(chǎn)品中,由于質(zhì)量要求較為嚴(yán)格,肋片一般由鋁材制成,有多種不同的結(jié)構(gòu)參數(shù),可根據(jù)冷卻的工作環(huán)境(溫度、氣壓、濕度和污染等情況)來(lái)選擇肋片形狀、肋間距、肋高和肋厚。
 
氣冷式冷板散熱是一種常用的間接冷卻散熱方式,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于實(shí)現(xiàn)。其缺點(diǎn)是散熱能力有限,結(jié)構(gòu)尺寸較大,散熱效率較液冷式冷板低得多,常用在小型機(jī)載電子設(shè)備中。
 
(4)液冷式冷板散熱系統(tǒng)
液冷式冷板散熱系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)為液體,冷卻材料通常為導(dǎo)熱較好的鋁材或銅材,在機(jī)載電子產(chǎn)品中常用鋁材。冷板的大小及液道的形狀可根據(jù)空間的大小,散熱量及冷卻源的壓力來(lái)確定。根據(jù)冷板工作的環(huán)境溫度,選擇合適的冰點(diǎn)、沸點(diǎn)、比勢(shì)、導(dǎo)熱系數(shù)、汽化熱、動(dòng)力黏度的冷卻劑(如乙醇等)。
 
液冷式冷板散熱是一種常用的散熱方式,其熱流密度大(可達(dá) 45×103W/m2)、散熱效率高、熱負(fù)載均勻、溫度梯度小、結(jié)構(gòu)緊湊。與同體積的其他換熱器相比,質(zhì)量輕、換熱面積大,適用于大功率元器件的散熱,被廣泛用在機(jī)載電子產(chǎn)品中。
 
在設(shè)計(jì)冷板時(shí),要考慮泵的壓力、冷卻液的流量、冷卻液的溫升、冷板表面溫度冷卻劑的二次冷卻等諸多因素,以合理地制定結(jié)構(gòu)方案。

三、電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)的基本問(wèn)題及要求

對(duì)電子產(chǎn)品進(jìn)行熱設(shè)計(jì),需要事先明確幾個(gè)問(wèn)題。

(1)電子產(chǎn)品(包括發(fā)熱元器件)的熱特性

熱設(shè)計(jì)的基本依據(jù)是元器件的熱特性(也叫熱的邊界條件),包括元器件(或產(chǎn)品)的發(fā)熱功率、發(fā)熱元器件(或產(chǎn)品)的散熱面積,發(fā)熱元器件或熱敏元器件(或產(chǎn)品)的最高允許工作溫度及溫度環(huán)境等。這些數(shù)據(jù)參數(shù)一般由元器件數(shù)據(jù)手冊(cè)(制造廠(chǎng)家提供)給出,設(shè)計(jì)師借此確定散熱方案及冷卻介質(zhì)流量。當(dāng)這種數(shù)據(jù)資料不足時(shí),原則上不能準(zhǔn)確地進(jìn)行熱設(shè)計(jì),需要設(shè)計(jì)者通過(guò)測(cè)量和試驗(yàn)確定各個(gè)參數(shù),以保證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

(2)元器件(或產(chǎn)品)的環(huán)境溫度

熱傳導(dǎo)的原則是:熱量總是從高溫物體傳給低溫物體,熱傳遞的速度與溫差、傳輸方式(或介質(zhì))有關(guān)。相同的傳輸方式下,溫差越大熱量傳遞越快。可見(jiàn),電子產(chǎn)品(包括發(fā)熱元器件)的最終溫度除了與元器件的熱特性有關(guān)外,還與所處的環(huán)境溫度密切相關(guān)。因此,進(jìn)行熱設(shè)計(jì)前必須準(zhǔn)確了解電子產(chǎn)品(或元器件)所處工作環(huán)境的溫度。

實(shí)際工作中,通常根據(jù)元器件(或產(chǎn)品)的工作環(huán)境溫度及元器件(或產(chǎn)品)的最高允許溫度確定散熱系統(tǒng)中冷卻劑的進(jìn)出口溫度(溫差值),并將此作為熱設(shè)計(jì)初步估算時(shí)的參考數(shù)據(jù)。

熱設(shè)計(jì)的原則是把產(chǎn)品的溫度限制在某一最大和最小的范圍內(nèi),盡量使電子產(chǎn)品內(nèi)各點(diǎn)之間的溫差最小,具體要求包括:

① 保證系統(tǒng)具有良好的冷卻功能。

根據(jù)產(chǎn)品的熱損耗值、用途及溫升等要求來(lái)確定冷卻方法。在熱回路中元器件的發(fā)熱表面到連接物之間的熱阻(熱量傳遞過(guò)程的阻力)應(yīng)盡量小;不同元器件間應(yīng)采用不同的散熱措施,目的是保證電子產(chǎn)品內(nèi)的所有元器件均能在規(guī)定的熱環(huán)境中正常工作。

② 保證冷卻系統(tǒng)工作的可靠性。

不管環(huán)境如何變化,冷卻系統(tǒng)必須能以重復(fù)的和預(yù)定的方式完成所規(guī)定的功能。在規(guī)定的使用期限內(nèi),冷卻系統(tǒng)的故障率應(yīng)比元器件的故障率低。

③ 冷卻系統(tǒng)要具有良好的適應(yīng)性。

設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)時(shí),應(yīng)留有散熱余量。因?yàn)橛械漠a(chǎn)品在工作一段時(shí)間后,由于某些因素的變化,如熱耗散或流體流動(dòng)阻力的增加,會(huì)要求增強(qiáng)散熱能力,如果沒(méi)有余量則需進(jìn)行重新設(shè)計(jì),會(huì)帶來(lái)不必要的麻煩和成本增加。

④ 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要有良好的經(jīng)濟(jì)性。

設(shè)計(jì)一個(gè)良好的冷卻系統(tǒng),必須綜合考慮各方面的因素,使其既能滿(mǎn)足冷卻要求,又能達(dá)到電氣性能的指標(biāo),同時(shí)所用的冷卻代價(jià)最小、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠。

⑤ 冷卻系統(tǒng)要有良好的可維修性。

冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)力求簡(jiǎn)單,盡可能使用最少的和通用的元器件,以便于維修和更換。

四、電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)原則

熱設(shè)計(jì)的基本原則是可制造性、可維修性、經(jīng)濟(jì)性。即以最簡(jiǎn)化的設(shè)計(jì)、最低的成本滿(mǎn)足產(chǎn)品的使用要求。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),熱設(shè)計(jì)一般應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)原則:

① 熱流密度超過(guò) 0.08W/cm2、體積功率密度超過(guò) 0.18W/cm3 時(shí),應(yīng)采用強(qiáng)迫空氣冷卻、強(qiáng)迫液體冷卻、蒸發(fā)冷卻、熱管或其他冷卻方法。

② 若電子元器件之間的空間有利于空氣流動(dòng)或可以安裝散熱器,推薦采用強(qiáng)迫空氣冷卻系統(tǒng)。

③ 對(duì)于必須在高溫環(huán)境條件下工作,元器件與被冷卻表面之間的溫度梯度又很小的部件或體積功耗密度很高的元器件或設(shè)備,推薦使用液冷式散熱系統(tǒng)。

④ 一般情況下,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使一切外露部分(包括機(jī)箱)工作在 35℃環(huán)境溫度以下,且它們的溫度不得超過(guò) 60℃,面板和控制器不應(yīng)超過(guò) 43℃。

⑤ 熱設(shè)計(jì)應(yīng)與電氣設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)等同時(shí)進(jìn)行,當(dāng)出現(xiàn)矛盾時(shí),應(yīng)平衡分析,折中解決。但不得損害電氣性能,并要符合可靠性要求,以使設(shè)備的壽命周期費(fèi)用降至最低。

⑥ 設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)時(shí),必須考慮經(jīng)濟(jì)性、體積及質(zhì)量等因素,應(yīng)最大限度地利用傳導(dǎo)、輻射、對(duì)流等基本冷卻方式,避免外加冷卻裝置。

⑦ 設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)時(shí),必須考慮到可維修性,要從整個(gè)系統(tǒng)的角度出發(fā)選擇熱交換器、冷卻劑及管道,同時(shí)冷卻劑不能對(duì)交換器和管道有腐蝕作用。

⑧ 在溫度敏感的元器件或設(shè)備周?chē)鷳?yīng)設(shè)置溫度監(jiān)控裝置,以便當(dāng)其周?chē)鷾囟瘸鲈撛骷试S工作溫度范圍時(shí)提供報(bào)警或自行斷電,以保護(hù)設(shè)備安全(需要長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的電子設(shè)備不適用)。

⑨ 熱設(shè)計(jì)中允許有較大的誤差,設(shè)計(jì)過(guò)程的早期應(yīng)對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值分析和計(jì)算。

五、自然冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)要求

自然冷卻是大多數(shù)小型電子元器件(或產(chǎn)品)最常采用的散熱方式。設(shè)計(jì)時(shí)一般應(yīng)遵循以下要求:

① 應(yīng)盡可能縮短傳熱路徑,增大換熱或?qū)崦娣e。

② 應(yīng)盡可能將組件內(nèi)產(chǎn)生的熱量通過(guò)組件機(jī)箱或安裝架散出去。

③ 應(yīng)盡量采用散熱熱阻小的導(dǎo)軌,增大機(jī)箱表面的黑度,增大輻射換熱。

④ 元器件的安裝方向和安裝方式,應(yīng)能保證能最大限度利用對(duì)流方式傳遞熱量。

⑤ 元器件的安裝方式,應(yīng)充分考慮到周?chē)骷臒彷椛溆绊?,以保證元器件的溫度都不超過(guò)其最大工作溫度。

⑥ 對(duì)靠近熱源的熱敏感元器件應(yīng)采用熱隔離措施。

⑦ 對(duì)于功率小于 100mW 的中小功率集成電路及小功率晶體管,一般可不增加其他散熱措施。

2.設(shè)計(jì)方法

(1)機(jī)殼的散熱設(shè)計(jì)

機(jī)殼的散熱設(shè)計(jì)中,可采用在機(jī)殼表面涂覆散熱性能好的涂料,或在外殼開(kāi)設(shè)通風(fēng)口的方式。其中散熱涂料的方式散熱效果更好,但應(yīng)注意需涂覆在內(nèi)外表面,以增強(qiáng)散熱效果;通風(fēng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以便于空氣對(duì)流為原則,兩側(cè)通風(fēng)孔的設(shè)計(jì)應(yīng)注意防止氣流短路影響散熱效果;通風(fēng)孔的位置應(yīng)對(duì)準(zhǔn)主要發(fā)熱元器件,以使冷空氣能夠直接冷卻元器件;通風(fēng)孔進(jìn)出口應(yīng)設(shè)在溫差最大的兩處,并且進(jìn)風(fēng)口的位置應(yīng)盡量低、出風(fēng)口的位置盡量高。

(2)變壓器散熱設(shè)計(jì)

如果不帶外罩則鐵芯與支架間的固定平面應(yīng)仔細(xì)加工,以便形成良好的熱接觸,或在固定面上用支架墊高,并在底板上開(kāi)通風(fēng)孔,使氣流形成對(duì)流。

(3)真空元器件設(shè)計(jì)

相對(duì)位置不宜過(guò)近,不宜過(guò)于靠近機(jī)殼側(cè)壁,其他元器件離真空元器件不要太近,以免影響自然對(duì)流換熱??稍诠茏?chē)牡装迳洗蚩?,以加快氣流循環(huán),改善散熱效果。

3.設(shè)計(jì)案例

圖1 自然散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

六、強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)要求

強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于體積小、功率大的電子產(chǎn)品中。設(shè)計(jì)時(shí)一般應(yīng)遵循以下要求:

① 應(yīng)合理控制氣流方向和流量,使其按照預(yù)定的路徑通行,應(yīng)保證所有元器件均在低于額定溫度的環(huán)境下工作。

② 進(jìn)行元器件排布時(shí),應(yīng)按元器件發(fā)熱量順序排列,耐溫性能低的元器件排列在冷空氣的最上游(靠近進(jìn)風(fēng)口),其次是發(fā)熱量小的元器件,最后是發(fā)熱量大的元器件。

③ 對(duì)于發(fā)熱量大且耐溫性差的元器件,應(yīng)盡量使其暴露在冷氣流中。

④ 對(duì)于導(dǎo)熱性好、體積較大的變壓器、電感類(lèi)元器件,可通過(guò)傳導(dǎo)方式將熱量傳到附近有冷空氣流過(guò)的底板上。

⑤ 發(fā)熱量大的元器件應(yīng)盡量集中排布,并與其他元器件熱絕緣,以便進(jìn)行單獨(dú)的集中通風(fēng)冷卻。

⑥ 元器件的排列應(yīng)盡量減小對(duì)冷空氣的傳送阻力,盡量不要在風(fēng)道上安裝大型元器件,以避免造成阻塞。

2.設(shè)計(jì)方法

強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括通風(fēng)管道的設(shè)計(jì)、通風(fēng)口的設(shè)計(jì)及通風(fēng)機(jī)的選用。

(1)通風(fēng)管道的設(shè)計(jì)

① 在保證氣流不短路的情況下,通風(fēng)道應(yīng)盡量短,以降低風(fēng)道的阻力損失。

② 應(yīng)盡可能用直管,以便于加工并減小風(fēng)阻。當(dāng)不得不采用彎曲管道時(shí),應(yīng)盡量采用局部阻力小的結(jié)構(gòu),并且盡量在風(fēng)速最小處彎折。

③ 應(yīng)合理選擇管道的截面尺寸和出口形狀,風(fēng)道的截面尺寸應(yīng)盡可能與風(fēng)機(jī)的出口匹配,以避免增大風(fēng)阻。

④ 大功率元器件的送風(fēng)管截面形狀應(yīng)根據(jù)元器件的形狀而定,以增強(qiáng)散熱效果。

(2)通風(fēng)口的設(shè)計(jì)

① 通風(fēng)口的開(kāi)設(shè)應(yīng)有利于形成有效的自然對(duì)流通道。

② 進(jìn)風(fēng)口應(yīng)盡可能對(duì)準(zhǔn)發(fā)熱元器件,出風(fēng)口應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離進(jìn)風(fēng)口。

③ 通風(fēng)口應(yīng)開(kāi)在溫差較大的相應(yīng)位置,且進(jìn)風(fēng)口應(yīng)盡可能低,出風(fēng)口盡可能高,以防止氣流短路。

(3)通風(fēng)機(jī)的選用

① 應(yīng)根據(jù)電子產(chǎn)品通風(fēng)冷卻系統(tǒng)所需的風(fēng)量、風(fēng)壓、鄰近空間大小選擇通風(fēng)機(jī)類(lèi)型。

② 對(duì)于要求風(fēng)量大、風(fēng)壓低的應(yīng)用系統(tǒng),優(yōu)選軸流式通風(fēng)機(jī),反之則優(yōu)選離心式通風(fēng)機(jī)。

③ 對(duì)于空用電子產(chǎn)品,為確保冷空氣的輸送量,應(yīng)采用可變速的通風(fēng)機(jī)以適應(yīng)不同海拔工作的需要。

3.設(shè)計(jì)案例

圖2某大功率電源產(chǎn)品的強(qiáng)制風(fēng)冷散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

七、液冷式冷板散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液冷式冷板散熱系統(tǒng)適用于較高的環(huán)境溫度下或高密度熱源下工作的情況。設(shè)計(jì)時(shí)一般應(yīng)遵循以下要求:

① 優(yōu)選水作為冷卻劑,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證冷卻劑能自由膨脹,且機(jī)箱必須能承受冷卻劑的最大蒸汽壓力。

② 要確保冷卻劑不會(huì)在最高的工作溫度下沸騰(如有必要,應(yīng)安裝溫度控制元器件),還應(yīng)確保冷卻劑不會(huì)在最低溫度下結(jié)冰。

③ 直接液體冷卻適用于體積及功率密度很高的元器件或設(shè)備,也適用于必須在高溫環(huán)境條件下工作且元器件與被冷卻表面之間溫度梯度很小的部件。

圖3 某液冷式冷板散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

八、其他冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹

1.半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)

半導(dǎo)體制冷又叫溫差電制冷,是建立在帕爾貼效應(yīng)基礎(chǔ)上的一種制冷方法。其原理是:當(dāng)對(duì)兩種不同導(dǎo)體組成的電偶對(duì)通電流時(shí),在電偶的相應(yīng)接頭處會(huì)發(fā)生吸熱和放熱現(xiàn)象。這一現(xiàn)象在半導(dǎo)體中表現(xiàn)得更為突出,因此可利用這一原理進(jìn)行可控溫度調(diào)節(jié)。

半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:制冷量和冷卻速度可以通過(guò)改變電流的大小而調(diào)節(jié),不需要制冷劑,無(wú)機(jī)械部件,設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、維修方便,可靠性高。

設(shè)計(jì)半導(dǎo)體制冷系統(tǒng)時(shí),應(yīng)注意熱面溫度不應(yīng)高于 60℃(必要時(shí)在熱面加裝強(qiáng)制液冷等高效散熱措施),以避免帕爾貼的損壞,同時(shí),冷面的工作溫度應(yīng)控制在 20℃以上,以避免結(jié)露。

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圖4 帕爾貼實(shí)物圖及其應(yīng)用系統(tǒng)

2.熱管制冷系統(tǒng)

熱管一般由管殼、吸液芯和端蓋構(gòu)成。它利用蒸發(fā)制冷的原理,增大熱管兩端的溫差,以加快熱量的傳遞。

熱管制冷方式的優(yōu)點(diǎn)是:具有很強(qiáng)的導(dǎo)熱能力、優(yōu)良的穩(wěn)定性和可調(diào)節(jié)熱流密度等特點(diǎn),是一種適應(yīng)性很強(qiáng)的散熱系統(tǒng)。其缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜。

圖5 熱管散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

附:198項(xiàng)可靠性設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)分享

一、可靠性是設(shè)計(jì)出來(lái)的

一個(gè)電解電容緊挨著散熱片焊接的,與電解電容相關(guān)聯(lián)的那部分電路參數(shù)容易漂,現(xiàn)象和結(jié)果就是機(jī)器參數(shù)不穩(wěn); 綠色發(fā)光二極管的色調(diào)不一致,外觀看起來(lái)不美觀,發(fā)光管都有個(gè)波長(zhǎng)的要求,即使都是綠光,波長(zhǎng)的細(xì)微差別也會(huì)導(dǎo)致色差,而設(shè)計(jì)文件上并沒(méi)對(duì)發(fā)光管的波長(zhǎng)做出規(guī)定; 某塊電路工作不好,發(fā)現(xiàn)將PCB板信號(hào)線(xiàn)的一個(gè)電感換成磁珠就好了,于是就改了BOM單,電路板上趴著個(gè)磁珠大肆生產(chǎn)了。常規(guī)理解看來(lái),磁珠似乎和電感的特性是相同的,但事實(shí)上磁珠表現(xiàn)的是一個(gè)隨頻率變化的電阻特性,是消耗性的,而電感是儲(chǔ)能特性,是儲(chǔ)存性的削峰填谷。即使從實(shí)際結(jié)果來(lái)看,似乎更換器件后沒(méi)問(wèn)題,但其實(shí)并沒(méi)有搞通真正的器件機(jī)理。病雖然莫名其妙的好了,但病毒的隱患仍在。


還有很多類(lèi)似的問(wèn)題,比如散熱,似乎熱設(shè)計(jì)只和機(jī)箱內(nèi)溫度有關(guān),卻忽視了一個(gè)致命的問(wèn)題,溫度系數(shù),即使溫度不夠高到燙手的地步,溫度的升高是否會(huì)導(dǎo)致溫漂,溫漂后的參數(shù)值是否會(huì)將器件的特征參數(shù)推到電路正常工作的邊緣?


比如降額,幾乎所有工程師都說(shuō)“我們降額了,基本降了50%,余量是足夠的,這個(gè)問(wèn)題肯定沒(méi)有”。那么降額時(shí),所有該降額的參數(shù)都降到了安全范圍嗎?同一類(lèi)功能的器件,換了不同封裝形式或生產(chǎn)工藝的時(shí)候,一樣的降額系數(shù)能降出一樣的效果來(lái)嗎?在特定位置、特定電路下的器件,明確哪個(gè)特定參數(shù)該降的更大一點(diǎn)嗎?


還有電磁兼容、振動(dòng)、可維修性、測(cè)試等等多方面的問(wèn)題,知己知彼,百戰(zhàn)不殆,在實(shí)際的考察中,發(fā)現(xiàn)既不知己、也不知彼的設(shè)計(jì)太多,不知己是不知道自己不知道什么,不知彼是不知道設(shè)計(jì)所面對(duì)的對(duì)象的諸多參數(shù)、條件、工藝、特性,而恰恰是由此引出了太多的技術(shù)問(wèn)題。

二、198項(xiàng)可靠性設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

1、在確定設(shè)備整體方案時(shí),除了考慮技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性、體積、重量、耗電等外,可靠性是首先要考慮的重要因素。在滿(mǎn)足體積、重量及耗電等于數(shù)條件下,必須確立以可靠性、技術(shù)先進(jìn)性及經(jīng)濟(jì)性為準(zhǔn)則的最佳構(gòu)成整體方案。

2、在方案論證時(shí),一定要進(jìn)行可靠性論證。

3、在確定產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的同時(shí),應(yīng)根據(jù)需要和實(shí)現(xiàn)可能確定可靠性指標(biāo)與維修性指標(biāo)。

4、對(duì)已投入使用的相同(或相似)的產(chǎn)品,考察其現(xiàn)場(chǎng)可靠性指標(biāo),維修性指標(biāo)及對(duì)這兩種對(duì)標(biāo)的影響因素,以確定提高當(dāng)前研制產(chǎn)可靠性的有效措施。

5、應(yīng)對(duì)可靠性指標(biāo)和維修性指標(biāo)進(jìn)行合理分配,明確分系統(tǒng)(或分機(jī))、部件、以至元器件的的可靠性指標(biāo)。

6、根據(jù)設(shè)備的設(shè)計(jì)文件,建立可靠性框圖和數(shù)學(xué)模型,進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)。隨著研制工作深入地進(jìn)行,預(yù)計(jì)分配應(yīng)反復(fù)進(jìn)行多次,以保持其有效性。

7、提出整機(jī)的元器件限用要求及選用準(zhǔn)則,擬訂元器件優(yōu)選手冊(cè)(或清單)。

8、在滿(mǎn)足技術(shù)性要求的情況下,盡量簡(jiǎn)化方案及電路設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ,減少整機(jī)元器件數(shù)量及機(jī)械結(jié)構(gòu)零件。

9、在確定方案前,應(yīng)對(duì)設(shè)備將投入使用的環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查 ,并對(duì)其進(jìn)行分析,確定影響設(shè)備可靠性最重要的環(huán)境及應(yīng)力,以作為采取防護(hù)設(shè)計(jì)和環(huán)境隔離設(shè)計(jì)的依據(jù)。

10、盡量實(shí)施系列化設(shè)計(jì)。在原有的成熟產(chǎn)品上逐步擴(kuò)展,抅成系列,在一個(gè)型號(hào)上不能采用過(guò)多的新技術(shù)。采用新技術(shù)要考慮繼承性。

11、盡量實(shí)施統(tǒng)一化設(shè)計(jì)。凡有可能均應(yīng)用通用零件,保證全部相同的可移動(dòng)模塊、組件和零件都能互換。

12、盡量實(shí)施集成化設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中,盡量采用固體組件,使分立元器件減少到最小程度。其優(yōu)選序列為:大規(guī)模集成電路-中規(guī)模集成電路-小規(guī)模集成電路-分立元器件
13 盡量不用不成熟的新技術(shù)。如必須使用時(shí)應(yīng)對(duì)其可行性及可靠性進(jìn)行充分論證,并進(jìn)行各種嚴(yán)格試驗(yàn)。

14、盡量減少元器件規(guī)格品種,增加元器件的復(fù)用率,使元器件品種規(guī)格與數(shù)量比減少到最小程度。

15、在設(shè)備設(shè)計(jì)上,應(yīng)盡量采用數(shù)字電路取代線(xiàn)性電路,因?yàn)閿?shù)字電路具有標(biāo)準(zhǔn)化程度高、穩(wěn)定性好、漂移小、通用性強(qiáng)及接口參數(shù)易匹配等優(yōu)點(diǎn)。

16、根據(jù)經(jīng)濟(jì)性及重量、體積、耗電約束要求,確定設(shè)備降額程度,使其降額比盡量減小,便不要因選擇過(guò)于保守的組件和零件導(dǎo)致體積和重量過(guò)于龐大。

17、在確定方案時(shí),應(yīng)根據(jù)體積、重量、經(jīng)濟(jì)性與可靠性及維修性確定設(shè)備的冗余設(shè)計(jì),盡量采用功能冗余。

18、設(shè)計(jì)設(shè)備時(shí),必須符合實(shí)際要求,無(wú)論在電氣上或是結(jié)構(gòu)上,提出局部過(guò)高的性能要求,必將導(dǎo)致可靠性下降。

19、不要設(shè)計(jì)比技術(shù)規(guī)范要求更高的輸出功率或靈敏度的線(xiàn)路,但是也必須在最壞的條件下使用而留有余地。

20、在設(shè)計(jì)初始階段就要考慮小型化和超小型化設(shè)計(jì),但以不妨礙設(shè)備的可靠性與維修性為原則。

21、對(duì)于電氣和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用公差需考慮設(shè)備在壽命期內(nèi)出現(xiàn)的漸變和磨損,并保證能正常使用。

22、加大電路使用狀態(tài)的公差安全系數(shù),以消除臨界電路。

23、如果有容易獲得而行之有效的普通工藝能夠解決問(wèn)題,就不必要過(guò)于追求新工藝。因?yàn)樽钚碌牟灰欢ㄊ亲詈玫模⑶易钚碌幕記](méi)有經(jīng)過(guò)時(shí)間的考驗(yàn);應(yīng)以費(fèi)用、體積、重量、研制進(jìn)度等方面權(quán)衡選用,只有為了滿(mǎn)足特定的要求時(shí)才宜采用。

24、為了盡量降低對(duì)電源的要求和內(nèi)部溫升,應(yīng)盡量降低電壓和電流。這樣可把功率損降低到最低限度,避免高功耗電路,但不應(yīng)犧牲穩(wěn)定性或技術(shù)性能。

25、應(yīng)對(duì)設(shè)備電路進(jìn)行FMEA及FTA分析,尋找薄弱環(huán)節(jié),采取有效的糾正措施。

26、在設(shè)備研制的早期階段應(yīng)進(jìn)行可靠性研制試驗(yàn)。在設(shè)計(jì)定型后大批投產(chǎn)前應(yīng)進(jìn)行可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn),以提高設(shè)備的固有可靠性和任務(wù)可靠性。

27、對(duì)設(shè)備和電路應(yīng)進(jìn)行潛在通路分析、找出潛在通路、繪圖錯(cuò)誤及設(shè)計(jì)問(wèn)題。避免出現(xiàn)不需要功能和需要受到抑制。

28、對(duì)穩(wěn)定性要求高的部件、電路,必須通過(guò)容差分析進(jìn)行參數(shù)漂移設(shè)計(jì),減少電路在元器件允許容差范圍內(nèi)失效。

29、正確選擇電路的工作狀態(tài),減少溫度和使用環(huán)境變化對(duì)電子元器件和機(jī)械零件特性值穩(wěn)定性的影響。

30、注意分析電路在暫態(tài)過(guò)程中引起的瞬時(shí)過(guò)載,加強(qiáng)暫態(tài)保護(hù)電路設(shè)計(jì),防止元器件的瞬時(shí)過(guò)載造成的失效。

31、主要的信號(hào)線(xiàn)、電纜要選用高可靠連接。必要時(shí)對(duì)繼電器、開(kāi)關(guān)、接插件等可采用冗余技術(shù),如采取并聯(lián)接或?qū)⒍嘤嘟狱c(diǎn)全部利用等。

32、在設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)關(guān)鍵元器件、機(jī)械零件已知的缺點(diǎn)應(yīng)給予補(bǔ)償和采取特殊措施。

33、分機(jī)、電路必須進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計(jì),解決設(shè)備與外界環(huán)境的兼容,減少來(lái)自外界的天電干擾或其它電氣設(shè)備的干擾解決產(chǎn)品內(nèi)部各級(jí)電路間的兼容??朔O(shè)備內(nèi)部、各分板及各級(jí)之間由于器件安裝不合理、連線(xiàn)不正確而產(chǎn)生的輻射干擾和傳導(dǎo)干擾。

34、采用故障--安全裝置。盡量避免由于部件故障而引起的不安全狀態(tài),或使得一系列其他部件也發(fā)生故障甚至引起整個(gè)設(shè)備發(fā)生故障。

35、在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選用其主要故障模式對(duì)電路輸出具有最小影響的部件及元器件。
36、在設(shè)計(jì)電路及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)和選用元器件時(shí),應(yīng)盡量降低環(huán)境影響的靈敏性,以保證在最壞環(huán)境下的可靠性。

37、選擇接觸良好的繼電器和開(kāi)關(guān),要考慮截?cái)喾逯惦娏?,通過(guò)最小電流,以及最大可接受的接觸阻抗。

38、在電路設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量選用無(wú)源器件,將有源器件減少到最小程度。

39、如果可變電阻器有一端未與線(xiàn)路相接,應(yīng)將滑臂接上,以防止開(kāi)路。應(yīng)確保調(diào)至最小電阻時(shí),電阻器和額定功率仍然適用。

40、使用具有適當(dāng)額定電流的單個(gè)連接插頭,避免將電流分布到較低額定電流的插頭上。

41、調(diào)整電子管燈絲電流以減低初始浪涌,減小故障率。

42、避免使用電壓調(diào)整要求高的電路,在電壓變化范圍較大的情況下仍能穩(wěn)定工作。

43、在關(guān)鍵性觀察點(diǎn)應(yīng)配備兩套或更多的并聯(lián)照明光源。

44、采用必要措施避免采取某些故障模式導(dǎo)致設(shè)備重復(fù)失效。

45、選擇最簡(jiǎn)單、最有效的冷卻方法,以消除全部發(fā)熱量的百分之八十。

46、考慮經(jīng)濟(jì)性、體積及重量等,應(yīng)最大限度地利用傳導(dǎo)、輻射、對(duì)流等基本冷卻方式,避免外加冷卻設(shè)施。

47、冷卻方法優(yōu)選順序?yàn)椋鹤匀焕鋮s→強(qiáng)制風(fēng)冷→液體冷卻→蒸發(fā)冷卻。

48、采用高效能零件(例如:采用半導(dǎo)體器件而不用電子管)和電路。

49、盡量保持熱環(huán)境近似恒定,以減輕因熱循環(huán)與熱沖撞而引起的突然熱應(yīng)力對(duì)設(shè)備的影響。

50、必須假定所設(shè)計(jì)的設(shè)備會(huì)靠近比環(huán)境溫度更高的其它設(shè)備。

51、在設(shè)計(jì)的初期階段,應(yīng)預(yù)先研究哪些部件可能產(chǎn)生電磁干擾和易受電磁干擾,以便采取措施,確定要使用哪些抗電磁干擾的方法。

52、設(shè)備內(nèi)測(cè)試電路應(yīng)作為電磁兼容性設(shè)計(jì)的一部分來(lái)考慮;如果事后才加上去就可能破壞原先的電磁兼容性設(shè)計(jì)。

53、在設(shè)計(jì)上要保證設(shè)備同其他設(shè)備滿(mǎn)意地共同工作。

54、盡量壓縮設(shè)備工作頻率帶寬,以抑制干擾的輸入。

55、在設(shè)備中,盡量控制脈沖波形前沿上升速度和寬闊,以減少干擾的高頻分量,(在滿(mǎn)足電氣性能的情況下)。

56、盡量減少電弧放電,為此盡量不用觸點(diǎn)閉合器件。

57、在設(shè)備電路中設(shè)置各種濾波器以減少各種干擾。

58、保險(xiǎn)絲和線(xiàn)路等過(guò)載保護(hù)器件應(yīng)該適于使用(最好就在前面板上)。除非為了安全上的需要,應(yīng)不要求使用特殊工具。

59、如果要求電路在過(guò)載時(shí)也要工作,在主要的部件上應(yīng)安裝過(guò)載指示器。

60、在前面板上應(yīng)安裝指示器,以指示保險(xiǎn)絲或線(xiàn)路截?cái)嗥饕呀?jīng)將某一電路斷開(kāi)。保險(xiǎn)絲板上應(yīng)標(biāo)出每一保險(xiǎn)絲的額定值,并標(biāo)出保險(xiǎn)絲保護(hù)的范圍。

61、對(duì)所使用的每一類(lèi)型保險(xiǎn)絲都要有一個(gè)備用件,并保證備用件不少于總數(shù)的10%。

62、選擇線(xiàn)路截?cái)嗥鳎瑧?yīng)能人工操縱至斷開(kāi)或接通位置。

63、使用自動(dòng)斷路截?cái)嗥?,除非使用時(shí)要求自動(dòng)斷路機(jī)構(gòu)應(yīng)急過(guò)載(不斷路)。

64、必須記住,最有效的電磁干擾控制技術(shù),應(yīng)在設(shè)計(jì)部件和系統(tǒng)的最初階段加以采用。

65、對(duì)設(shè)備中失效率較高及重要的分機(jī)、電路及元器件要采取特別降額措施。

66、集成電路對(duì)結(jié)溫和輸出負(fù)載進(jìn)行降額應(yīng)用。

67、晶體三極管除結(jié)溫外,對(duì)其集電極電流及任何電壓予以降額應(yīng)用。

68、晶體二極管除結(jié)溫外,對(duì)其正向電流及峰值反向電壓予以降額應(yīng)用。

69、電阻器除外加功率進(jìn)行降額應(yīng)用外,在應(yīng)用中要低于極限電壓及極限應(yīng)用溫度。

70、電容器除外加電壓進(jìn)行降額應(yīng)用外,在應(yīng)用中要注意頻率范圍及溫度極限。

71、線(xiàn)圈、扼流圈除工作電源進(jìn)行降額應(yīng)用外,對(duì)其電壓也要進(jìn)行降額。

72、變壓器除工作電流,電壓進(jìn)行降額應(yīng)用外,對(duì)其溫升按絕緣等級(jí)作出規(guī)定。

73、繼電器的接點(diǎn)電流按接負(fù)載的降額應(yīng)用外,對(duì)其溫度按絕緣等級(jí)作出規(guī)定。

74、接插件除了電流進(jìn)行降額應(yīng)用外,對(duì)其電壓也要進(jìn)行降額,根據(jù)觸點(diǎn)間隙大小、直流及交流要求不同而進(jìn)行適當(dāng)降額。

75、對(duì)于電纜、導(dǎo)線(xiàn)除了對(duì)電流進(jìn)行降額應(yīng)用外(銅線(xiàn)每平方毫米截面流過(guò)電流不得超過(guò)7安培),要注意電纜電壓,對(duì)于多芯電纜更要注意其電壓降額。

76、電子管應(yīng)對(duì)板耗功率和總柵耗功率進(jìn)行降額應(yīng)用。

77、對(duì)于開(kāi)關(guān)器件除對(duì)開(kāi)關(guān)功率降額外,對(duì)接點(diǎn)電流也要進(jìn)行進(jìn)行降額應(yīng)用。

78、對(duì)于電動(dòng)機(jī)應(yīng)考慮軸承負(fù)載降額和繞阻功率降額。

79、結(jié)構(gòu)件降額一般指增加負(fù)載系數(shù)和安全余量,但也不能增加過(guò)大,否則造成設(shè)備體積、重量、經(jīng)費(fèi)的增加。

80、對(duì)電子元器件降額系數(shù)應(yīng)隨溫度的增加而進(jìn)一步降低。

81、對(duì)于電子管燈絲電壓和繼電器的線(xiàn)包電流不能降額,而應(yīng)保持在額定值左右(100±5%);否則會(huì)降低電子管壽命和影響繼電器的可靠吸合。

82、電阻器降低到10%以下對(duì)可靠性提高已經(jīng)沒(méi)有效果。

83、對(duì)電容器降額應(yīng)注意,對(duì)某些電容器降額水平太大,常引起低電平失效,交流應(yīng)用要比直流應(yīng)用降額幅度要大,隨著頻率增加降額幅度要隨之增加。

84、對(duì)于磁控管降額的使用,如果陽(yáng)極電流不加到規(guī)定值,降低燈絲電壓使用,不僅不能提高可靠性,恰恰相反,正是犧牲了可靠性。

85、為了保證設(shè)備的穩(wěn)定性,電路設(shè)計(jì)時(shí),要有一定功率裕量,通常應(yīng)有20-30%的裕量,重要地方可用50-100%的裕量,要求穩(wěn)定性、可靠性越高的地方,裕量越大。
86、要仔細(xì)設(shè)計(jì)電路的工作點(diǎn),避免工作點(diǎn)處于臨界狀態(tài)。

87、在設(shè)計(jì)電路時(shí),應(yīng)對(duì)那些隨溫度變化其參數(shù)也處之變化的元器件進(jìn)行溫度補(bǔ)償,以使電路穩(wěn)定。

88、電子元器件往往隨環(huán)境條件變化而變化,對(duì)此,應(yīng)對(duì)設(shè)備和電路采取環(huán)境控制和隔離。

89、正確選用那些電參數(shù)穩(wěn)定的元器件,避免設(shè)備和電路產(chǎn)生飄逸失效。

90、進(jìn)行傳動(dòng)部件強(qiáng)度和剛度裕度設(shè)計(jì),要保證在惡劣環(huán)境條件下與其他電子部件同時(shí)進(jìn)入“浴盆效應(yīng)”的磨損期。

91、對(duì)摩擦位置以及機(jī)械關(guān)節(jié)進(jìn)行密封設(shè)計(jì)。

92、選擇耐磨損和抗振疲勞的材料。

93、采取抗磨損性能的特殊工藝。

94、電子設(shè)備的元器件,機(jī)械零件存在著貯存失效,在設(shè)計(jì)上應(yīng)有減少這種失效措施,同時(shí)采取正確存儲(chǔ)方法。

95、電路設(shè)計(jì)應(yīng)容許電子元器件和機(jī)械零件有最大的公差范圍。

96、電路設(shè)計(jì)應(yīng)把需要調(diào)整的元器件(如:半可變電容器、電位器、可變電感器及電阻器等)減少到最小程度。

97、要盡量選用有足夠溫度要求和溫度系數(shù)小的電容器。

98、當(dāng)電源電壓和負(fù)荷在通??赡艹霈F(xiàn)極限變化的情況下,電路仍能正常工作。
99、用任意選擇的電子元器件電路仍能正常工作。

100、電路和設(shè)備應(yīng)能在過(guò)載、過(guò)熱和電壓突變的情況下,仍能安全工作。

101、設(shè)計(jì)設(shè)備和電路時(shí),應(yīng)盡量放寬對(duì)輸入及輸出信號(hào)臨界值的要求。

102、電路應(yīng)在半導(dǎo)體器件手冊(cè)上規(guī)定的β值范圍內(nèi)正常工作。

103、努力降低元器件失效影響程度,力求把電路的突然失效降低為性能退化。

104、使用反饋技術(shù)來(lái)補(bǔ)償(或抑制)參數(shù)變化所帶來(lái)的影響,保證電路性能穩(wěn)定。例如,由阻容網(wǎng)絡(luò)和集成電路運(yùn)算放大器組成的各種反饋放大器,可以有效地抑制在因元器件老化等原因性能產(chǎn)生某些變化的情況下,仍然能符合最低限度的性能要求。

105、對(duì)于重要而又易出故障的分機(jī),電路和易失效的元器件在體積、重量、經(jīng)費(fèi)、耗電等方面允許的條件下,經(jīng)可靠性預(yù)計(jì)和分配后,采用冗余設(shè)計(jì)技術(shù)。

106、接插件、開(kāi)關(guān)、繼電器的觸點(diǎn)要增加冗余接點(diǎn),并聯(lián)工作。插頭座、開(kāi)關(guān)、繼電器的多余接點(diǎn)全部利用,多點(diǎn)并接。

107、每個(gè)接線(xiàn)板應(yīng)有10%的接線(xiàn)柱或接線(xiàn)點(diǎn)作為備用。

108、當(dāng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的可靠性小于單元可靠度50%時(shí),則應(yīng)采用工作儲(chǔ)備。

109、當(dāng)體積、重量非關(guān)重要,而可靠性及耗電至關(guān)重要時(shí)則應(yīng)采取非工作貯備,非工作貯備有利于維修。

110、貯備設(shè)計(jì)中功能冗余是非??扇〉?,當(dāng)其中冗余部件失效時(shí)并不影響主要功能;而同時(shí)工作時(shí),又收到降額設(shè)計(jì)的效果。

111、對(duì)于易失效的元器件應(yīng)采取工作儲(chǔ)備(熱儲(chǔ)備)。

112、如果信息傳遞不允許中斷應(yīng)采取工作儲(chǔ)備。

113、如果對(duì)設(shè)備的體積、重量等有嚴(yán)格要求,而提高單元的可靠性又有可能滿(mǎn)足執(zhí)行任務(wù)要求的話(huà)就不必采用儲(chǔ)備設(shè)計(jì);同時(shí)應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性。

114、盡管“并串”比“串并”可靠性高,但考慮便于維修,“串并”也是可取的。

115、對(duì)于設(shè)備(或系統(tǒng))中的可靠性薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行儲(chǔ)備設(shè)計(jì)而采取混合儲(chǔ)備設(shè)計(jì)措施是很可取的。這是經(jīng)過(guò)可靠性、經(jīng)濟(jì)性及重量和體積的權(quán)衡結(jié)果。

116、在冷貯備設(shè)計(jì)中,應(yīng)盡量采用自動(dòng)切換裝置。

117、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的非工作貯備(冷貯備)可以縮短信號(hào)中斷時(shí)間,在貯備設(shè)計(jì)中可以根據(jù)具體情況加以說(shuō)明。

118、保證熱流通道盡可能短,橫截面要盡量大。

119、在需要傳熱性能高時(shí),可考慮采用熱管。熱管散熱量可比實(shí)制銅導(dǎo)體高數(shù)百倍。

120、利用金屬機(jī)箱或底盤(pán)散熱。

121、力求使所有的接頭都能傳熱,并且緊密地安裝在一起以保證最大的金屬接觸面。必要時(shí),建議加一層導(dǎo)熱硅膠 以提高產(chǎn)品質(zhì)量傳熱性能。

122、將需散熱一瓦以上的器件安裝在金屬底盤(pán)上,或安裝傳熱通道通至散熱器。

123、器件的方向及安裝方式應(yīng)保證最大對(duì)流。

124、將熱敏部件裝在熱源下面,或?qū)⑵涓綦x。

125、安裝零件時(shí),應(yīng)充分考慮到周?chē)慵椛涑龅臒?,以使每一器件的溫度都不超過(guò)其最大工作溫度以避免對(duì)準(zhǔn)熱源。

126、對(duì)靠近熱源的熱敏部件,要加上光滑的涂上漆的熱屏蔽。

127、確保熱源具有高輻射系數(shù)。如果處于嵌埋狀態(tài),須用金屬傳熱器通至冷卻裝置。

128、玻璃環(huán)氧樹(shù)脂線(xiàn)路板式不良散熱器,不能全靠自然冷卻。

129、如果玻璃環(huán)氧樹(shù)脂印制線(xiàn)路板不能足以散發(fā)所產(chǎn)生的熱量,則應(yīng)考慮加設(shè)散熱網(wǎng)絡(luò)和金屬總印制電路板。

130、選用導(dǎo)熱系數(shù)大材料制造熱傳導(dǎo)零件。例如:銀、紫銅、氧化鈹陶瓷及鋁等。

131、加大熱傳導(dǎo)面積和傳導(dǎo)零件之間的接觸面積。在兩種不同溫度的物體相互接觸時(shí),接觸熱阻是至關(guān)重要的。為此,必須提高接觸表面的加工精度、加大接觸壓力或墊入軟的可展性導(dǎo)熱材料。

132、在熱傳導(dǎo)路徑中不應(yīng)有絕熱或隔熱元器件。

133、適當(dāng)采用物理隔離法或絕熱法。

134、使用通風(fēng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)冷,讓電子元器件溫度保持在安全的工作溫度范圍內(nèi)。通風(fēng)口必須符合電磁干擾、安全性要求,同時(shí)應(yīng)考慮防淋雨要求。

135、氣冷系統(tǒng)需根據(jù)散熱量進(jìn)行設(shè)計(jì),并應(yīng)根據(jù)下列條件:在封閉的設(shè)備內(nèi)壓力降低時(shí)應(yīng)通入的空氣量、設(shè)備的體積,在熱源處保持安全的工作溫度,以及冷卻功率的最低限度(即使空氣在冷卻系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)動(dòng)所需的能量)。

136、設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意使風(fēng)機(jī)馬達(dá)冷卻。

137、用以冷卻內(nèi)部部件的空氣須經(jīng)過(guò)濾,否則大量污物將積在敏感的線(xiàn)路上,引起功能下降或腐蝕(在潮濕環(huán)境中會(huì)更加速進(jìn)行),污物還能阻礙空氣流通和起絕熱作用,使部件得不到冷卻。

138、設(shè)計(jì)時(shí)注意使強(qiáng)制通風(fēng)和自然通風(fēng)的方向一致。

139、不要重復(fù)使用冷卻空氣。如果必須使用用過(guò)的空氣或連續(xù)使用時(shí),空氣通過(guò)各部件的順序必須仔細(xì)安排。要先冷卻熱敏零件和工作溫度低的零件,保證冷卻劑有足夠的熱容量來(lái)將全部零件維持在工作溫度以?xún)?nèi)。

140、設(shè)計(jì)強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)應(yīng)保證在機(jī)箱內(nèi)產(chǎn)生足夠的正壓強(qiáng)。

141、設(shè)置整套的冷卻系統(tǒng),以免在底盤(pán)抽出維修時(shí)不能抗高溫的器件被高溫?zé)嶂率А?/span>

142、進(jìn)入的空氣和排出的空氣之間的溫差不應(yīng)超過(guò)14℃。

143、保證進(jìn)氣與排氣間有足夠的距離。

144、非經(jīng)特別允許,不可將通風(fēng)孔及排氣孔開(kāi)在機(jī)箱頂部或面板上。

145、盡量減低噪音與振動(dòng),包括風(fēng)機(jī)與設(shè)備箱間的共振。

146、使用無(wú)刷交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)扇、風(fēng)機(jī)和泵,或者適當(dāng)屏蔽的直流電動(dòng)機(jī)。

147、注意勿使可伸縮的單面式組合抽屜阻礙冷卻氣流。

148、在計(jì)算空氣流量時(shí),要考慮因空氣通道布線(xiàn)而減少的截面積。

149、若設(shè)備必須在較高的環(huán)境溫度下或高密度熱源下工作,以致自然冷卻或強(qiáng)制風(fēng)冷法均不使用時(shí),可以使用液冷或蒸發(fā)冷卻法。

150、如果必須用液冷法,最好用水作冷卻劑。

151、設(shè)計(jì)時(shí)注意使冷卻劑能自由膨脹,而機(jī)箱則須承受冷卻劑的最大蒸汽壓力。
152 注意管道必須合乎要求,設(shè)備必須嚴(yán)封,嚴(yán)防氣塞。

153、吸氣孔與過(guò)濾塞必須裝置適當(dāng)。

154、注意冷卻系統(tǒng)的吸氣孔應(yīng)在較低部位而排氣閥應(yīng)在較高部位。在每一個(gè)斷開(kāi)處安裝檢驗(yàn)閥。

155、要確保冷卻劑不致在最高的工作溫度以下沸騰(如有必要,應(yīng)安裝溫度控制器件),還應(yīng)確保冷卻劑不致在最低溫度以下結(jié)冰。上述任一情況都會(huì)導(dǎo)致管道破裂。
156、要避免蒸汽在設(shè)備內(nèi)冷凝。

157、設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)時(shí),必須考慮到維修。要從整個(gè)系統(tǒng)的現(xiàn)點(diǎn)出發(fā)來(lái)選擇熱交換器、冷卻劑以及管道。冷卻劑必須對(duì)交換器和管道沒(méi)有腐蝕作用。

158、布置未經(jīng)屏蔽的電子管時(shí),其間隔至少應(yīng)為直徑的1~0.5倍。避免陽(yáng)極過(guò)熱。
159 為避免電子管輻射熱影響熱敏器件、屏蔽罩的內(nèi)面的輻射能力要強(qiáng)(涂黑),而外面則應(yīng)是光滑的,并能將熱傳導(dǎo)到底盤(pán)上。

160、不要把傳熱的屏蔽罩安裝在塑料底盤(pán)上。

161、當(dāng)激振頻率很低時(shí),應(yīng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的剛性,提高設(shè)備及元器件的固有頻率與激振頻率的比值,使隔振系數(shù)接應(yīng)于1,以使設(shè)備和元器件的固有頻率遠(yuǎn)離共振區(qū)。

162、盡量提高設(shè)備的固有振動(dòng)頻率,電子設(shè)備機(jī)柜的固有振動(dòng)頻率應(yīng)為最高強(qiáng)迫頻率的兩倍,電子組件應(yīng)為機(jī)柜的兩倍。如艦船和潛水艇的振動(dòng)頻率普遍范圍在12~33赫,機(jī)柜固有振動(dòng)頻率不低于60赫,組件的固有振動(dòng)頻率不低于120赫。

163、應(yīng)將導(dǎo)線(xiàn)編織在一起,并用線(xiàn)夾 分段固定,電子元器件的引線(xiàn)應(yīng)盡量短以提高固有頻率。

164、電子器件(直徑超過(guò)1.3cm或每一引頭重量超過(guò)7克)應(yīng)夾定或用其它方法固定在底盤(pán)上或板上,以防止由于疲勞或振動(dòng)而引起的斷裂。

165、焊接到同一端頭的絞合銅線(xiàn)必須加以固定,使其在受振動(dòng)時(shí),使導(dǎo)體在靠近各股銅線(xiàn)焊接在一起處不致發(fā)生彎曲。

166、連結(jié)引頭處不可沒(méi)有支撐物。

167、使用軟電線(xiàn)而不宜用硬導(dǎo)線(xiàn),因后者在撓曲與振動(dòng)時(shí)易折斷。

168、使用具有足夠強(qiáng)度的對(duì)準(zhǔn)銷(xiāo)或類(lèi)似裝置以承受底盤(pán)和機(jī)箱之間的沖擊或振動(dòng)。不要依靠電氣連接器和底盤(pán)滑板組件來(lái)承受這種負(fù)荷。

169、抽斗或活動(dòng)底盤(pán)須至少在前面和后面具有兩個(gè)引銷(xiāo)。配合零件須十分嚴(yán)密以免振動(dòng)時(shí)互相沖擊。

170、→電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)指南徐維新在門(mén)和抽斗上安裝鎖定裝置,以便沖擊或振動(dòng)時(shí)打開(kāi)。

171、避免懸臂式安裝器件。如采用時(shí),必須經(jīng)過(guò)仔細(xì)計(jì)算,使其強(qiáng)度能在使用的設(shè)備最?lèi)毫拥沫h(huán)境條件下滿(mǎn)足要求。

172、沉重的部件應(yīng)盡量靠近支架,并盡可能安裝在較低的位置。如果設(shè)備很高,要在頂部安裝防搖裝置或托架,則應(yīng)將沉重的部件盡可能地安裝在靠近設(shè)備的后壁。
173 設(shè)備的機(jī)箱不應(yīng)在50赫以下發(fā)生共振。

174、大型平面薄壁金屬零件,應(yīng)加折皺、彎曲、或支撐架。

175、模塊和印制電路板的自然頻率應(yīng)高于農(nóng)們的支撐架(最好在60赫以上)??刹捎眯“鍓K或加支撐架以達(dá)到這個(gè)目的。

176、所有調(diào)諧元件應(yīng)有固定制動(dòng)的裝置,使調(diào)諧元器件在振動(dòng)和沖擊時(shí)不會(huì)自行移動(dòng)。

177、在使用一個(gè)繼電器的地方可同時(shí)使用兩個(gè)功能相同而頻率不同的繼電器。

178、繼電器安裝應(yīng)使觸點(diǎn)的動(dòng)作方向同銜鐵的吸合方向,盡量不要同振動(dòng)方向一致, 為了防止縱向和橫向振動(dòng)失效可用兩個(gè)安裝方向相垂直的繼電器。

179、實(shí)施振動(dòng)、沖擊隔離設(shè)計(jì),對(duì)發(fā)射系統(tǒng)一些關(guān)鍵電真空器件,要采取特殊減震緩沖措施,要使元器件受震強(qiáng)度低于0.2m/s2(加速度)。

180、加速力傳到機(jī)柜內(nèi)部時(shí),它會(huì)逐漸變小,能夠經(jīng)受高加速應(yīng)力的零部件應(yīng)要機(jī)柜內(nèi)安裝,不能經(jīng)受高加速應(yīng)力的零部件應(yīng)在機(jī)柜中心處安裝。

181、不使用鉗傷和裂紋導(dǎo)線(xiàn),在兩端具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下,導(dǎo)線(xiàn)應(yīng)當(dāng)放長(zhǎng)。

182、通過(guò)金屬孔或靠近金屬零件的導(dǎo)線(xiàn)必須另外套上金屬套管。

183、對(duì)于插接式的元器件(如電子管等)其縱軸方向應(yīng)與振動(dòng)方向一致。同時(shí),應(yīng)加設(shè)蓋帽或管罩。

184、對(duì)于不同的半導(dǎo)體器件安裝方法應(yīng)不同,對(duì)于帶插座的晶體管和集成電路應(yīng)壓上護(hù)圈,護(hù)圈用螺栓接固在底座上。對(duì)于有焊接引線(xiàn)的晶體管,可以采取外裝、專(zhuān)用彈簧夾、護(hù)圈或涂料(如硅橡膠)固定在印刷板上。

185、對(duì)于電阻器和電容器在安裝時(shí)關(guān)鍵在于避免諧振。為此,一般采用剪短引線(xiàn)來(lái)提高其固有頻率使之離開(kāi)干擾頻譜。對(duì)于小型電阻、電容只有盡可能臥裝。在元件與底板間埴充橡皮或用硅橡膠封裝。對(duì)大的電阻、電容器則需用附加緊固裝置。

186、對(duì)于印制電路板,應(yīng)加固和鎖緊,以免在振動(dòng)時(shí)放生接觸不良和脫開(kāi)振壞。

187、對(duì)于陶瓷元件及其他較脆弱的元件和金屬件聯(lián)接時(shí),它們之間最好墊上橡皮、塑膠、纖維及毛氈等襯墊。

188、為了提高抗振動(dòng)和沖擊的能力,應(yīng)盡可能的使設(shè)備小型化。其優(yōu)點(diǎn)是易使設(shè)備有較堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)和較低的固有頻率,在既定的加速度下,慣性力也小。

189、對(duì)于特別性振動(dòng)的元器件和部件(如主振動(dòng)回路元件)可進(jìn)行單獨(dú)的被動(dòng)隔振。對(duì)振動(dòng)源(如電機(jī)等)也要單獨(dú)進(jìn)行主動(dòng)隔振。

190、在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),除要認(rèn)真進(jìn)行動(dòng)態(tài)強(qiáng)度、剛度等計(jì)算外,還必須進(jìn)行必要的模型模擬試驗(yàn),以確??箵粽駝?dòng)性能。

191、采用新型高分子輕質(zhì)材料封裝元器件,可以對(duì)高沖擊振動(dòng)下易損壞的部件進(jìn)行防護(hù)。

192、適當(dāng)?shù)倪x擇和設(shè)計(jì)減振器,使設(shè)備實(shí)際承受的機(jī)械力低于許可的極限值。在選擇和設(shè)計(jì)減振器時(shí),緩沖和減振兩種效果進(jìn)行權(quán)衡。須知,緩沖和減振往往是矛盾的。

193、對(duì)元器件進(jìn)行灌封是最有效的對(duì)其進(jìn)行氣候環(huán)境防護(hù)的措施。

194、對(duì)于不可更換的或不可修復(fù)的元器件組合裝置可以采用環(huán)氧樹(shù)脂灌裝。

195、對(duì)于含有失效率較高及價(jià)格昂貴的元器件組合裝置可以采用可拆卸灌封。如硅橡膠封,硅凝膠灌封和可拆卸的環(huán)氧樹(shù)脂灌封等。

196、為了防潮,元器件表面可涂覆有機(jī)漆。

197、為了防潮,對(duì)元器件可以采取憎水處理及浸漬等化學(xué)防護(hù)措施。

198、對(duì)設(shè)備或組件進(jìn)行密封是防止潮氣及鹽霧長(zhǎng)期影響的最有效的機(jī)械防潮方法。

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