电子工艺与电子产品的设计

12软件一班刘攀

【摘要】设计一个电子产品，除了电子电路、程序以外还必须要有一个电子电路的固定安装载体，也就是产品的外壳，一个好的外壳设计可以美化产品、提高产品的安全性、抗震性、可靠性。产品结构在电子产品中的作用不能忽视，好的外壳，不仅能起到上述四个作用，还可以降低成本，提高产品的使用寿命。

【关键词】 环境 热设计 减震和缓冲 电磁兼容

设计一个电子产品，除了电子电路、程序以外还必须要有一个电子电路的固定安装载体，也就是产品的外壳，一个好的外壳设计可以美化产品、提高产品的安全性、抗震性、可靠性。产品结构在电子产品中的作用

外壳是电子产品的主要组成部分之一，它在一个产品中起到一下四个方面的作用：1美观，2防护，3抗震，4抗干扰。

1美观：毋庸置疑，电子产品的外壳在美观设计方面，起到不可替代的作用，特别是民用电子产品，美观性十分重要。电子产品的美观设计一般委托美工设计人员来实现，但是美工设计往往没有电工基础，也没有外壳材料的化工、金工基础，所以设计的产品外观往往是好看，但做不出来或很难实现。

2防护：多数的电子产品有防护的要求，比如要达到IP54、IP67等防护等级，这些要求只能靠外壳实现，因此，设计外壳时必须考虑到这些防护要求，一般塑料材料的防水、防尘、防酸碱性能好一些，特别是防水性能，非塑料材料莫属。

3抗震：如果电子产品需要具备抗震性能，往往需要从两方面入手，一是电子部件的结构，比如内部电路板的排列、电子元器件、焊接工艺、配线工艺等，另一方面就是产品的外壳。外壳的抗震性从两方面来实现，1材料，不能选用低密度的ABS材料，要选用尼龙或PTS、橡胶等弹性材料，2设计，根据产品的特点在适当的地方增加厚度，添加加强筋，预作缓冲槽等，但是不能增加太多的重量。

4抗干扰：抗干扰是电子产品必须必备的性能，不仅要能滤除通过连接线路传输的干扰信号，还要屏蔽空间电磁场的干扰。提高产品的抗干扰性能是电子工程师十分痛疼得一件事情，但如果换一个角度，通过产品结构或外壳设计横可能有些干扰问题迎刃而解，比如，通过结构设计，使产品的强电部分与弱电部分分开，通过外壳设计使外壳尽可能的成为紧密联结的整体，降低接触电阻，或者在外壳的特定部位增加系列异型孔，屏蔽或吸收特定频率的干扰波，等等措施，可以有效地解决干扰问题。

总之，产品结构（外壳）在电子产品中的作用不能忽视，好的外壳，不仅能起到上述四个作用，还可以降低成本，提高产品的使用寿命。

如各位同仁，有产品外壳结构方面的需要，你只需提供电子电路部分，本人可以为你提供完整的解决方案。

电子设备的失效有很大部分就是因设备所处环境而造成的，电子设备所处的环境虽然复杂多样，多少大概的可分为气候因素、机械因素和电磁干扰。

一、环境因素

环境因素除了温度、湿度、气压等重要因素外，还包括盐雾、大气污染、灰尘、日光照射等因素。环境因素的设计主要的有对潮湿、金属腐蚀等一些的电子设备防护设计和电子设备热设计。

1、潮湿、生物危害及防护

（1）、潮湿的危害

气候条件对电子产品的影响是很多方面的，但是从设备的生产故障的直接因素看来，潮湿是主要因素。

潮湿对电子产品的重要破坏有：引起金属腐蚀及加快腐蚀的速度、使金属材料性能的变坏、失效，水电一种极性介质能够改变电器元件的参数，在一定温度下它有利于霉菌的生长，当温度升高或空气中含有杂质时潮湿的影响和危害将加剧。物体的吸湿的主要形式是扩散、吸收、吸附、凝露。

（2）、防潮措施

防潮措施首先是合理地选择材料，在满足机构强度要求和经济性的情况下，应采用耐腐蚀、耐潮湿、化学性能稳定的材料，同时采取表面憎水处理、密封等方法。

2生物危害及防护

（2）、生物的危害

霉菌的危害，其直接危害主要是由于霉菌在生长和繁殖过程中从有机物材料中吸取营养成分，从而使材料机构发生破坏，强度降低，物理性能变坏，同时霉菌的本身也会使电子产品短路，给电子产品带来严重的后果。其间接到危害是引起金属腐蚀和绝缘性能的恶化，同时霉菌还会破坏元件和设备的外观，以及对人本身造成毒害作用。

（3）、霉菌的防护措施

防止生物危害最基本的方法是进行合理的机构设计或采用密封结构，加大受腐蚀材料的厚度，可选有耐腐蚀的材料及阴极保护法等来减少生物对电子产品的危害。

所以在电子产品的防腐蚀设计主要是选择合适的防腐蚀覆盖层，选有耐腐蚀材料及进行合理的结构设计。

金属材料的表面防腐蚀覆盖层主要有金属镀层、金属表面化学处理和有机覆盖层等三种。金属防腐蚀除使用覆盖层外，还应从产品机构设计上加以考虑，其中合理的选材与恰当的机构形式对防止电子设备的腐蚀十分有效。

2、电子设备的热设计

电子产品工作时，输入功率只有一部分作有用功输出，还有很多的电能转化成热能，使电子产品的元器件温度升高。而元器件允许的工作温度都是有限的，如果实际温度超过了元器件的允许温度，则元器件的性能会变坏，甚至烧毁。晶体管、电阻、电容、变压器、印制电路板等都是如此。尤其的晶体管，其最大的弱点是对温度十分敏感。

温度变化对电子电路的工作状态、电路性能都有影响对晶体管，其结温越高，放大倍数越高。此为温度对晶体管的生命也有影响。温度过高会降低晶体管的使用寿命。

因此，电子产品热控制的目的是要芯片级、元件级、组建级和系统级提供良好的热环境，保证它们在规定的热环境下，能按预定的参数正常工作，可靠地工作。热控制系统必须在规定的使用期内，完成所规定的功能，并以减少的维护保证其正常的工作。

(1)散热的方法

1）、增强热传导散热的主要措施有：a、选用导热系数较大的材料制造热传导零件；b、最大限度地减少接触热阻，适当增大热传导零件间的接触面积和压力，在两接触面间隙硅脂或垫入软金属箔，如铟片、铜箔等均是减少接触热阻最有效的方法。c、尽量缩短热传导的路径，热传导路径中不应有绝热或隔热元件。所以，电子产品的热设计主要有电子产品的自然散热、电子产品的强迫空气冷却、液体冷却、蒸发冷却和热点制冷与热管。

1）、电子产品的自然散热

对于功率密度不高的电子产品，如电子测量仪器、电子医疗仪器，其散热一般不用采取特殊措施，主要的就是通过自然散热的方式实现散热。它的传热途径是设备内部电子元器件及印制电路板等通过导热、对流和辐射等方式将热量传至周围介质（如空气）。自然散热不仅成本低，而且可靠性高。

增强电子产品自然冷却的能力，可以从以下几个方面进行认真设计：a、改善产品内部电子元器件向机壳的传热能力；b提高机壳向外界的传热能力；c尽量降低传热途径各个环节的热阻，形成一条低热阻流通路，保证产品在允许的温度范围内正常工作。

电子设备自然散热时的热流途径

● 总散热量=机壳对流散热量+机壳辐射散热量

● 总散热量=机壳对流散热量+机壳辐射散热量+机内对流散热量

三、 电子产品的强迫空气冷却

强迫空气冷却的主要形式有单个电子元件的强迫空气冷却、整机抽风冷却、整机鼓风冷却。

1）、单个电子元件的强迫空气冷却

单个电子元件的强迫空气冷却一般用在整机及机柜中只有单个元件需要冷却时，例如雷达反射机中的大功率磁控管、行波管、调制管、阻尼二极管等需要集中风冷。为了提高冷却效率，可设计一个专用风道把发热器件装入风道内冷却。

2）、整体抽风冷却

抽风冷却主要适用于热量比较分散的整机或机箱。热量经专门的风道或直接排到产品周围的大气中。抽风的特点是风量大、风压小，各部分风量比较均匀。因此，整机的抽风冷却常用在机柜中各单元热量发布比较均匀，各元件所需冷却表面的风阻比较小的情况。

3）、其他冷却法方

液体冷却是一种比较好的冷却方法。其缺点的系统比较复杂，体积和重量比较大，产品费用高，维修也比较困难。

蒸发冷却则是通过物质从液态转变气态的过程，进行的一种冷却方法，主要用于大型的电子产品的冷却降温

2、机械作用因素

1、概述

电子产品在使用和运输过程中，不可能避免地会受到振动、冲击等机械力的作用，具体的可以分为四类：周期性振动、非周期性干扰---碰撞、冲击、离心加速度、随机振动。振动与冲击对电子设备的影响是多方面的,一般振动会引起元件或材料的疲劳损坏，而冲击则会因瞬时加速度很大而造成元器件或材料的强度破坏。振动引起的故障约占80%，冲击引起的故障约占20%。

2、隔振原理及法方

为力减少振动和冲击的影响，保证电子产品在振动和冲击的情况下仍然可靠地工作，一般采用两个方面的措施。（1）提高电子产品各元器件及机构件本身的抗振动、冲击的能力，采用各种方法使元器件及结构件有足够的强度与刚度；（2）采取隔离措施，隔振措施主要分两种：一种是主动隔振；另一种是被动隔振。

主动隔振和被动隔振的共同点是安装减震器（弹簧），但减震器上去后，可能使要保护的电子产品的振动减少了，也可能使振动比原来更大。因此必须了解振动的基本原理，否则可能会得到相反的结果。

减震器是一种用来减少或消除振动及冲击的严重特殊元件。其常用的材料有毛毡、蜂窝式纸板、泡沫塑料、橡胶及金属弹簧。电子产品常用的减振器有橡胶减振器和金属弹簧减振器两种。

3、电磁干扰

电子设备工作时，常会受到来自各种因素的电磁干扰。电子设备的小型化使干扰源与敏感单元靠得很近，使干扰传播路劲缩短，干扰机会增大。器件的小型化也增加了它们对干扰的敏感度。由于电子设备越来越小并且便于携带，流动性很大，有时还与其他机电设备安装于同一载体或空间，如汽车电话、手提电脑等设备随处可用，而不一定局限与办公室那样的受控环境。这样一切使得电磁干扰日趋严重，由此带来了兼容性问题。

电磁干扰EMI（electromagnetic interference）的构成包括三个因素：电磁干扰源、干扰传播途径、敏感设备。如下图

（1）电磁干的来源一般分为自然干扰和人为干扰两类；

自然干扰分为天电干扰、宇宙干扰、大气干扰、然噪声:人为干扰分为非功能性干扰、功能性干扰源。

（2）电磁干扰的传播有两种方法：一种是传导耦合方式；另一种是幅射耦合方式。

电场屏蔽的最简单的方式是干扰源与受感器之间加一块接地良好且导电性能良好的金属板，就可以把感应电荷短接到地以达到屏蔽的目的。

四、电子产品技术工艺文件及计算机辅助工艺设计

在现代生产中，信息的传递和反馈是十分重要的。信息的表述不外乎用文字和图形记载在纸上，或者用图像的方式显示在屏幕上。从事电子产品的设计、生产和使用的人员总是要和各种各样的电气图、文字表格、说明书、文、表统称为技术文件。

现代的电子产品的设计和加工再也不能依靠手工作坊式的口头传述，而要遵循复杂的技术文件——设计文件和工艺文件——进行操作。设计和工业文件是电子产品加工过程中需要的两个主要技术文件，它们都是把设计目标转换成生产过程的操作控制文件，在生产中有极其重要的指导作用。设计文件表述了电子产品的电路和结构原理、功能机质量指标;工艺文件则是电子产品加工过程必须执行的指导性文件。通俗的说，前者规定做什么，后者规定怎么做。

技术文件的特点有

1）、标准化：标准化是电子产品技术文件的基本要求，电子产品技术文件要求全面、严格执行国家标准或企业标准。电子产品技术文件标准化审查主要审查产品技术文件大的完整性、正确性、一致性。

2）、管理严格：电子产品技术文件由企业技术管理部门进行管理，涉及文件的审核、签署、更改、保密、等方面，这一切都需要按技术管理标准来操作。

电子产品结构与工工艺在电子产品的设计中起着至关重要的作用，没有最好但可以根据以上几点把它做的更好。

参 考 文 献

钟名湖《电子产品结构工艺》 高等教育出版社，2004

万少华《电子产品结构与工艺》 北京邮电大学出版社，2008

张祖林《电子产品制造工艺》 华中科技大学出版社，2008

王卫平《电子产品制造工艺》 高等教育出版社，2005

电子产品结构工艺课程在电子产品设计中的作用与地位