电子产品结构工艺第1章基础

第1章工艺基础第一章电子产品结构工艺基础1.1电子产品基础知识1.2电子产品的可靠性1.3电子产品的防护第1章工艺基础1.1.1电子产品的特点（1）集成度高（2）使用广泛（3）可靠性要求高（4）精度要求高（5）结构复杂第1章工艺基础1.1.2电子产品的工作环境电子产品所处的环境多种多样，大体上可分为自然环境、工业环境和特殊使用环境。除自然环境之外，工业环境和特殊使用环境一般是可人为制造和改变的，故这类环境也称为诱发环境。环境因素是造成电子产品发生故障的主要因素，国外曾对机载电子产品进行故障剖析，结果发现，50%以上的故障是由环境因素所致；而温度、湿度、振动三项环境造成的故障率则高达44%。第1章工艺基础1.气候环境气候环境主要包括温度、温度、气压、盐雾、大气污染、灰尘砂粒及日照等因素。它们对产品的影响主要表现在使电气性能下降、温升过高、运动部位不灵活、结构损坏，甚至不能正常工作。为了减少和防止这些不良影响，必须采取散热措施，限制电子产品工作时的温升，保证在最高工作温度件下，电子产品内部的元器件承受的温度不超过其最高极限温度，并要求电子产品耐受高低温交变循环时的冷热冲击。同时采取各种防护措施，防止潮湿、盐雾、大气污染等气候因素对电子产品内元器件及零部件的侵蚀和危害，延长其工作寿命。第1章工艺基础2.机械环境机械环境是指电子产品在使用和运输过程中，所受到的振动、冲击、离心加速度等机械作用。它对电子产品的影响主要是：元器件损坏失效或电参数改变；结构件断裂或变形过大；金属件的疲劳等。为了防止机械作用对电子产品产生不良影响，必须采取减振缓冲措施，确保产品内的电子元器件和机械零部件在受到外界强烈震动和冲击下不致变形和损坏。提高电子产品的耐冲击、耐振动能力，保证电子产品的可靠性。第1章工艺基础3.电磁环境电子产品工作的周围空间充满了由于各种原因所产生的电磁波，造成外部及内部干扰。电磁波干扰的存在，使产品输出噪声增大，工作不稳定，甚至完全不能工作。为了保证产品在电磁干扰的环境中能正常工作，要求采取各种屏蔽措施，提高产品的抗电磁干扰能力。第1章工艺基础1.1.3电子产品的生产要求1.生产条件对电子产品的要求生产条件对产品的要求，一般有以下几个方面：（1）产品中的零件、部件、元器件的品种和规格应可能地少，尽量使用由专业厂生产的通用零件、部件或产品。（2）产品中的机械零、部件，必须具有较好的结构工艺性，能够采用先进的工艺方法和流程。第1章工艺基础（3）产品中的零件、部件、元器件及其各种技术参数、形状、尺寸等到应最大限度地标准化。（4）产品所使用的原材料，其品种、规格越少越好，应尽可能少用或不用贵重材料，立足于使用国产材料和来源多、价格低的材料。（5）产品（含零、部件）的加工精度和技术条件要求要相适应，不允许无根据地追求高精度。第1章工艺基础2.经济性对电子产品的要求电子产品的经济性有两面两方面的内容，即使用经济性和生产经济性。使用经济性包括产品在使用、储存和运输过程中所消耗的费用，其中维修费所占的比例最大，电源费次之。生产经济性是指生产成本，包括生产准备费用、原材料费用、工资和附加费用、管理费用等。第1章工艺基础1.1.4电子产品的使用要求1、对产品体积与重量的要求。(1)对产品的体积与重量的要求主要有四方面的因素：用途因素、运载因素、机械负荷因素、经济因素。(2)缩小体积产生的矛盾①产品升温限制。②分布参数限制。③装配和维修困难。④产品成本增加。第1章工艺基础2.操纵与维护人员对电子产品的要求（1）操纵人员对电子产品的要求。①为操纵者创造良好的工作条件。例如产品不会产生令人厌恶的噪声，且色彩调和，给人以好感。安装位置要适当，令操纵者舒适、精神安宁、注意力集中，从而提高工作质量。②产品操作简单，让操纵者能尽快进入工作状态。③产品安全可靠，有保险装置。当操纵者发生误操作时，不会损坏产品，更不能危及人身安全。④控制机构轻便，尽可能减少操纵者的体力消耗。读数指示系统清晰，便于观察且长时间观察不易疲劳，也不损伤视力。第1章工艺基础（2）维护人员对电子产品的要求。①在发生故障时，便于打开维修或能迅速更换备用件。②可调元件、测试点应布置在产品的同一面；经常更换的元器件以及易损元件应布置在易于拆装的部位；对于电路板应尽可能采用插座与系统连接。③元器件的组装密度不宜过大。④产品应具有过载保护装置，危险和高压处应有警告标志和自动安全保护装置等，以确保维修安全。⑤产品最好具备监测装置和故障预报装置，能使操纵者尽早地发现故障或预测失效元器件，及时更换维修，以缩短维修时间并防止大故障出现。第1章工艺基础1.2电子产品的可靠性1.2.1可靠性概述1.可靠性概念可靠性是指产品在规定的时间内和规定的条件下，完成规定功能的能力。第1章工艺基础2.可靠性的主要指标（1）可靠度（正常工作概率）可靠度指产品在规定时间内，完成规定功能的概率，通常用Ｒ（t）表示。式中Ｒ(t)为产品在时间t内正常工作的概率；Ｎ为试验样品数；n为规定试验时间t内故障数。第1章工艺基础（２）故障率故障率是指产品在规定条件下和规定时间内，失去规定功能的概率。通常用Ｆ（t）表示。它与可靠度是对立事件。二者的关系是：Ｆ（t）+Ｒ（t）=1因此，Ｆ(t)越接近于是1，表示产品故障率越高。第1章工艺基础（３）平均寿命对于不可修复和可修复产品，其平均寿命有不同含意。对不可修复的产品，它是指产品失效前的工作或储存时间的平均值，记做MTTF（为MeanTimeToFailure的缩写）。式中Ｎ为试验样品数；ti为第i个产品无故障工作时间。第1章工艺基础（４）失效率（瞬时失效率）失效率是指产品工作到t时刻后的一个单位时间（t到t+1）内的失效数与在t时刻尚能正常工作的产品数之比，用λ(t)表示，即。式中Ｎ为试验样品数；n(t)为到时刻t时的失效数；n(t+Δt)为t时刻后，在Δt时间间隔内失效数。第1章工艺基础3.元器件可靠性（1）普通元器件的失效规律第1章工艺基础（2）半导体器件的失效规律第1章工艺基础（3）元器件的可靠性计算一般元器件的可靠性通常用经过大量试验统计得出的失效率来表征。由于元器件都工作在偶然失效期，其失效率为常数，即λ（t）=λ=常数则可靠性用可靠度R(t)表示为第1章工艺基础4.产品或系统的可靠性一个产品或复杂的系统可以看成是由若干个子系统或部件组成，而每个子系统或部件又由许多元器件组成。我们可根据元器件的可靠性求得系统的可靠性，也可根据系统的可靠性要求分配各子系统（或部件、元器件）的可靠性。系统和子系统（或部件、元器件）之间的可靠性关系可以分为串联系统和冗余系统（备份系统）两大类。第1章工艺基础（1）串联系统第1章工艺基础（2）冗余系统第1章工艺基础5.可靠性与经济性关系第1章工艺基础1.2.2提高电子产品可靠性的措施1.从产品设计制造方面提高可靠性（1）简化设计方案（2）正确选用元器件（3）合理使用元器件（4）电子产品的合理设计第1章工艺基础2.从使用方面提高可靠性（1）合理贮存和保管。（2）合理使用。（3）定期检验和维修。第1章工艺基础1.3电子产品的防护1.3.1气候因素的防护由于电子产品使用的范围非常广泛，其工作环境和条件也就极为复杂多样，它要受到各种环境和气候条件的影响。对于气候因素而言，主要是受潮湿、盐雾、霉菌的影响。所以对气候因素的防护也主要是防潮湿、防盐雾、防霉菌，俗称为三防。第1章工艺基础1)吸湿机理空气中的潮湿是水在热的作用下蒸发形成的水蒸汽，随着温度的升高，水蒸汽逐渐增多直到饱和状态。当水蒸汽过饱和时，它将凝聚成小水滴。处在潮湿中的物体，由于空气中水蒸汽的分子运动，必然有一部分水分子吸附在物体表面上，形成一层水膜，随着空气相对湿度的增高，水膜厚度也增大。一切物体的吸湿，都是由这层水膜引起的。第1章工艺基础物体的吸湿可以有以下四种形式：扩散、吸收、吸附、凝露。第1章工艺基础（1）扩散。在高湿环境中，由于物体内部和周围环境的水汽压力差较大，水分子在压力差的作用下，向物体内部扩散，使水分子进入物体内部。扩散随着温度升高而加剧。第1章工艺基础（2）吸收。有些材料本身具有缝隙和毛细孔，如高分子塑料的分子间，均存在一定的空隙，纤维材料则有众多的毛细孔，当这种材料处于潮湿空气中时，材料表面的水膜分子由于毛细作用，进入材料内部。第1章工艺基础（3）吸附。由于物体表面的分子对水分子具有吸引力。当物体处于潮湿空气中时，水分子就会吸附到物体表面上，形成一层水膜。含有碱及碱土金属离子、非金属化合物离子以及离子晶体化的固体材料，对水分子有较大的吸附能力。第1章工艺基础（4）凝露当物体表面温度低于周围空气的露点时，空气中的水蒸汽便会在物体表面上凝结成水珠，在物体表面上形成一层很厚的水膜。在高温、低温交变循环下，可能造成材料内部的内凝露，严重时会使材料内部积水。第1章工艺基础材料被水润湿的程度可用润湿角α来表征。当润湿角α＜90°时，材料可被认为是亲水性的，α角越小，表示物体的亲水性越强；当润湿角α﹥90°时，材料可被认为是憎水性的，α角越大，表示物体憎水性越强。第1章工艺基础2）潮湿对电子产品的影响（1）潮湿引起金属腐蚀（2）潮湿使非金属材料性能变坏、失效（3）影响电气参数（4）产生霉菌第1章工艺基础3）防潮湿措施防潮湿措施有憎水处理、浸渍、灌封、密封等方法。第1章工艺基础4）金属的防护方法（1）改变金属的内部组织结构例如，把铬、镍等加入普通钢里制成的不锈钢，就大大地增加了钢铁对各种侵蚀的抵抗力。（2）表面覆盖表面覆盖就是在零件的表面覆盖致密的金属或非金属覆盖层。第1章工艺基础（3）电化学保护法金属的腐蚀其主要是电化学腐蚀，所以，只要能够把引起金属电化学腐蚀的原电池反应消除，金属的腐蚀自然就可以防止了。电化学保护法可分为外加电流的阴极保护和牺牲阳极的阴极保护法。第1章工艺基础盐雾的形成及危害：盐雾的危害性主要是对金属及各种金属镀层的强烈腐蚀。例如钢铁制品在盐雾作用下最容易生锈，其使用寿命要比无盐雾作用时短得多。此外，盐雾会使电子产品内的零部件，元器件表面上蒸发析出固体结晶盐粒，会引起绝缘强度下降，造成短路、漏电，很细的结晶盐粒如侵入机构的运动部分会加速磨损。第1章工艺基础盐雾的防护方法：防盐雾的方法主要是在一般电镀的基础上进行加工，即严格电镀工艺保证镀层厚度，选择适当的镀层种类。第1章工艺基础霉菌的危害性：霉菌属于细菌中的一个类别，它生长在土壤里，并在多种非金属材料的表面上生长。霉菌的繁殖是分裂繁殖，在适宜的气候环境下每15~20分钟即可分裂一次。霉菌所分裂出来的孢子很小，很易于随空气侵入产品。霉菌是靠自身分泌的酶在潮湿条件下分解有机物而获取养料的，这个分解过程就是霉菌侵蚀与破坏材料的根本原因。第1章工艺基础霉菌的防护方法：防霉菌可从霉菌的生存特点有针对性地防护，只要破坏引起霉菌腐蚀的任何一个条件，就能阻止霉菌的生长，达到防霉的目的。（1）控制环境条件（2）隔离霉菌与营养物质（3）防霉处理（4）使用防霉材料第1章工艺基础1.3.2电子产品的散热及防护电子产品工作时其输出功率往往只占输入功率的小部分，其功率损失一般都以热能的形式散发出来。实际上，电子产品内部任何具有实际电阻的载流元器件都是一个热源。其中最大的热源是变压器，大功率晶体管，扼流圈和大功率电阻等。这样，当电子产品工作时，温度将升高。由于电子产品内的元器件都有一定的工作温度范围，若超过其极限温度，就要引起工作状态改变，寿命缩短甚至损坏，因而使电子产品不能稳定可靠地工作。所以，研究电子产品的散热及防护是非常必要的。第1章工艺基础1.电子产品散热途径热是物体的内能，称之为热能。热的传导就是热能的转移。热能总是自发的从高温物体向低温物体传播。传热的基本方式有三种，即传导，对流和辐射。第1章工艺基础（1）热传导热传导是指通过物体内部或物体间直接接触来传播热能的过程。热传导是通过物体内部或物体接触面间的原子，分子以及自由电子的运动来实现能量传播的。热量是度量热能大小的物理量。热量由热端（或高温物体）传向冷端（或低温物体）。第1章工艺基础（2）热对流