第1章 电子产品结构工艺基础

第1章电子产品结构工艺基础重点：电子产品的特点、电子产品的结构工艺发展简况1.1电子产品的特点电子产品具有“轻、薄、短、小”的特点电子产品使用广泛电子产品的可靠性要求高电子产品的精度要求高，控制系统复杂电子产品工艺与生产任何电子产品都要经过千百道生产工序才能完成，而每一道生产工序都要按照特定的工艺规程方法进行。一个工厂的状况正是该厂生产管理状况的概括。也即是说：生产方式的优劣就是这个企业优劣。工艺工作是企业生产技术的中心环节，是组织生产和指导生产的一种重要手段。其内容是组织和指导符合设计要求的加工生产，直到包装出厂为止而采取的一切必要的技术和管理措施。电子产品的结构工艺发展简况（一）早期的电子产品结构，采用木箱结构，电气元件固定在一块绝缘板上，并水平地放在一个木箱上，主要电气元件都在绝缘的外边，箱内主要用裸导线连接，安装方式为螺钉连接。在20世纪20年代，由于真空二、三极管的出现，大大推动了电子技术的发展，以电子管为中心的电子技术得到广泛应用，这时的电子产品为一块水平底板放在箱中，箱前安装一块装有调节旋钮的胶木板。在20世纪30年代，电子产品的外壳采用了金属材料，产品结构的布局由一个水平放置金的金属底板及一个垂直放置的面板构成，各种元器件通过绝缘座或绝缘支撑布置在金属底板的上面，把阻容元件及其之间的连线布置在底板下面，在面板上放置控制器、显示器及输入、输出的接线端子，外面配上机箱。在20世纪40年代，较为复杂的电子产品问世，出现了将复杂的设备分为若干简单部件及树立起结构级别的先进想法。电子产品的结构工艺发展简况（二）进入20世纪50年代，由于晶体管的出现及应用，使电子技术发生了一场革命，导致了单、双面印制电路板的大量使用，同轴电缆和微带传输线的应用。从20世纪60年代开始，电子元器件出现了飞速的发展，大约每隔10年就有一次飞跃。在20世纪80年代，大规模集成电路及超大规模集成电路已经出现，在电子产品为提高可靠性，降低能耗和成本，大量采用集成电路及高密度印制电路板，这就是现在称之为的微型电子产品，使电子产品向固体化，小型化，高可靠性和多功能等方向的发展，产品结构也随之向更高层次过渡。1.2电子产品的基本要求工作环境对电子产品的要求气候条件对电子产品的要求机械条件对电子产品的要求电磁干扰对电子产品的要求气候条件对电子产品的要求气候条件主要包括温度、湿度、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。要求采取散热措施，限制电子产品工作时的温升，保证在最高工作温度条件下，并要求电子产品耐受高低温交变循环时的冷热冲击。要求采取各种防护措施，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。机械条件对电子产品的要求机械条件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。要求采取减振缓冲措施，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。要求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。电磁干扰对电子产品的要求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。外部干扰有：自然的宇宙和天电干扰；人为的电台的干扰，电火花或电弧干扰。内部干扰有：固有的天线、电源、晶体管的热骚动、线圈的磁场等；人为的由于设计不当引起各种寄生耦合。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。结构上要求采取各种屏蔽措施，提高产品的抗电磁干扰能力。生产条件对电子产品的要求产品中的零件、部件、元器件的品种和规格应可能地少，尽量使用通用的零部件或产品。产品中的机械零部件，必须具有较好的结构工艺，能够采用先进的工艺方法和流程。产品中的零部件、元器件及其各种技术参数、形状、尺寸等应地标准化。应尽可能少用或不用贵重材料，立足于使用来源多、价格低的材料。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。经济性对电子产品的要求使用经济性包括产品在使用、贮存和运输过程中所消耗的费用。生产经济性是指生产成本。它包括生产材料费用、工资和附加费用、管理费用等。产量的大小决定着生产的规模、生产方式的类型和生产经济性。合理选择原材料和元器件，以求降低产品的生产成本。合理的结构，使产品具有良好的使用性能和维修性能，从而降低费用。电子产品的使用要求产品体积与重量的要求电子产品的用途对体积重量的要求运载工具对体积重量的要求机械负荷对体积重量的要求经济因素对体积重量的要求产品的操作要求为操纵者创造良好的工作条件产品操作简单，能尽快进入工作状态。产品安全可靠，有保险装置。控制机构轻便，尽可能减少操纵者的体力消耗。产品的维修要求便于打开维修和方便更换备用件可调元件、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。元器件的组装密度不宜过大。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。1.3电子产品的可靠性1.3.1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。规定的时间：产品经过老化后，有一个较长的稳定使用期，以后随着时间的延长可靠性下降，时间越长，可靠性越低。规定条件：是指使用时的应力条件（电气的和机械的）、工作环境和维护条件、贮存条件等。规定条件不同，产品的可靠性也不同。规定的功能：是指完成规定的所有功能，而不是其中一部分。可靠性的主要指标可靠度（不失效率）可靠度指产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率。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。故障率与可靠度是对立事件。Ｆ（t）+Ｒ（t）=1Ｆ（t）=n/N×100%平均寿命平均寿命对不可修复的产品，它是指产品失效前的工作或储存的平均时间。对可修复的产品而言，平均寿命是指相邻两次故障间隔的工作时间的平均值，即平均无故障工作时间。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。失效密度（故障频率）失效密度是单位时间内失效产品数与受试验产品的起始数（总数）之比。平均修复时间该项指标反映了产品的可维修度，是指平均一次故障所需的修复时间。可靠性分类固有可靠性固有可靠性是指产品在设计、制造时内在的可靠性。影响固有可靠性的因素主要有产品的复杂程度，电路和元器件的选择与应用，元器件的工作参数及其可靠程度，机械结构和制造工艺等。产品的固有可靠性在很大程度上依赖于元器件的可靠性。产品越复杂所用的元器件越多，则产品的固有可靠性越低。使用可靠性使用可靠性是指使用和维护人员对产品可靠性的影响，它包括使用与维护的程序及产品使用操作方法正确性以及其他人为的因素。使用可靠性在很大程度上依赖于使用产品的人。熟练而正确的操作，及时的维护和保养，都能显著提高使用的可靠性。环境适应性环境适应性是指产品所处的环境条件对可靠性的影响。包括环境温度、湿度、气压、振动、冲击、霉菌、烟雾、以及贮存和运输条件的影响。提高产品的环境适应性，主要是对产品采取各种有效的防护措施。1.3.2可靠性设计的基本原则设计方案的简化（1）综合利用硬件与软件的功能，充分发挥软件的功能，以减少硬件的数量。（2）对指标和性能的确定要合理，避免盲目追求高性能和高指标。（3）积极慎重地采用新技术、新器件。（4）尽量采用经过优化设计和实际考验的标准电路单元。（5）尽可能采用集成度高的集成电路。（6）对数字逻辑电路要进行简化设计。（7）尽可能采用数字电路来代替线性电路。可靠性与经济性关系为了提高产品的可靠性，就要在材料、工艺、设备和管理等方面采取相应措施，这就导致生产和科研费用的增加，但使用维护费用却随着可靠性的提高而降低，因而总的费用却不一定增加。如果可靠性指标定得适当，总费用可达最低水平。反之，若可靠性指标低，就必须增大使用和维修费用，总费用仍有可增加，使经济性变差。可靠性与经济性的关系曲线元器件可先靠性与产品可靠性元器件可靠性通常是用失效率来表征。普通电子元器件有相似的失效规律，常用失效率与工作时间的关系曲线来表征。关系曲线三个阶段早期失效期：由于设计、制造上的缺陷等原因而发生的失效叫早期失效。对元器件进行筛选老化，可使其早期失效大大降低。偶然失效期：产品因偶然因素发生的失效叫偶然失效。其特点是失效率低而基本稳定，可以认为失效率是一个常数，与时间无关。是元器件的使用期。耗损失效期：产品在使用的后期，由于老化、疲劳、耗损等原因引起的失效叫耗损失效。元器件的可靠性元器件的可靠性通常用失效率来表征。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：R(t)=e-λt产品可靠性：一个产品可以看成是一个系统，是由若干个子系统组成，而每个子系统又由许多元器件组成。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求得各子系统（或元器件）的可靠性。可靠性与可维修性可维修是指产品零部件、元器件经修理使之维持可靠性而采取的措施。用有效工作时间比例A来表征可维修性。加工工艺的可靠性工艺加工必须严格按照工艺文件的要求进行加工，并保证产品元器件在加工过程中，不致受到热力的、机械的和电气的损伤。元器件筛选应按筛选工艺操作，不应过温筛选，以免损伤元器件。采取必要的措施，保证产品表面不受机械伤和化学腐蚀。用必要的工艺装置来满足产品加工过程中各种电气指标的测试要求，使之达到最佳状态，以免受电气的冲击或过载的影响。1.3.2提高产品可靠性的途径从产品设计制造方面提高可靠性从使用方面提高可靠性提高元器件的可靠性电子产品的可靠性主要取决于元器件的可靠性。对元器件进行筛选是提高电子产品可靠性的一种行之有效的措施。筛选的目的是选出可靠性较高的元器件，淘汰有潜在缺陷而导致早期失效的元器件。除特殊情况外，所有元器件都应经过筛选取后，才能用到产品中去。合理使用元器件根据电路性能的要求和工作环境条件选用合适的元器件，使用条件不得超过元器件电参数的额定值并留有足够的富余量。尽可能减少元器件的品种和规格数，提高复用率。分析比较同类元器件在品种、规格、型号和制造厂商之间的差异，择优选用，并注意统计、积累在使用和验收过程中元器件所表现出来的性能与可靠性方面的数据，作为以后选用的重要依据。合理设计产品设计的目标应是最大限度地满足用户的要求，即以最低的购置费用，在尽可能长的时间内得到可靠的使用效果。合理设计电路，尽可能选用先进而成熟的电路，尽可能使用标准的元器件，少用可调元件。采用自动检测与保护电路。合理地进行结构设计和严格生产制造工艺。尽可能采用生产中较为成熟的结构形式，尽可能采用新工艺、新材料、新技术，便于装配、调试和检修。合理使用提高可靠性合理贮存和运输。产品的贮存和运输必须按照规定的条件执行，不然的话，会在贮存和运输的过程中受到损伤。合理使用。在使用产品之前必须认真阅读说明书，按规定条件操作。定期检验和维修。定期检验可免除仪器在不正常或不符合技术指标时给使用造成差错，也可避免产品长期带病工作以致造成严重损伤。