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产品结构设计》
第一章概述
1．1电子设备结构设计与制造工艺
1．1．1现代电子设备的特点
当前，电子技术广泛地应用于国防、国民经济各部门以及人民生活等各个领域。
由于生产和科学技术的发展，新工艺和新材料应用，超小型化元器件和中大规模、超大规模集成电路的研制和推广，使电子设备在电路上和结构上产生巨大的变化。
小型化、超小型化、微型化结构的出现，使得一些传统的设计方法逐渐被机电结合、光点结合等新技术所取代，再加上电子设备要适应更加广泛的用途和恶劣苛刻的工作环境，就使当代电子设备具有不同于过去的特点。
这些特点可归纳为以下几方面：
1．设备组成较复杂，组装密度大
现代电子设备要求具有多种功能，设备组成较复杂，元器件、零部件数量多，且设备体积要小，组装密度大。
尤其是超大规模集成电路及其衍生的各种功能模块的出现，使电子设备的组装密度较过去提高了很多。
2．设备使用范围广，所处的工作环境条件复杂。
现代电子设备往往要在恶劣而苛刻的环境条件下工作。
有时要承受高温、低温和巨大温差变化；高湿度和低气压；强烈的冲击和振动；外界的电磁干扰等。
这些都会对电子设备的正常工作产生影响。
3．设备可靠性要求高、寿命长
现代电子设备要求具有较高的可靠性和足够的工作寿命。
可靠性低的电子设备将失去使用价值。
高可靠性的电子设备，不仅元器件质量要求高，在电路设计和结构设计中都要作出较大的努力。
4．设备要求高精度、多功能和自动化
现代电子设备往往要求高精度、多功能和自动化，有的还引入了计算机系统，因而其控制系统较为复杂。
精密机械广泛地应用于电子设备是现代电子设备的一大特点。
自控技术、遥控遥测技术、计算机数据处理技术和精密机械的紧密结合，有的电子设备要求有智能实现人机交流，使电子设备的精度和自动化程度达到了相当高的水平。
上述电子设备的特点，只是对整体而言，具体到某种设备又各具自己的特点。
由于当代电子设备具有上述特点，对电路设计和结构设计的要求更高了，设计、生产人员充分了解电子设备的特点，对于确保电子设备的性能满足使用要求十分必要的。
1．1．2电子设备的制造工艺和结构设计
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。
在产品的设计阶段，它的内容是确定产品的制造方案并完善生产前的技术准备工作；在产品的生产制造阶段，它的主要内容是组织指导符合设计要求的加工生产，直至出厂为止而采取的必要的技术和管理措施。
工艺工作按内容可分为工艺技术和工艺管理，前者是生产实践劳动技能和应用科学研究成果的积累和总结，是工艺工作的核心；后者是对工艺工作的计划、组织、协调与实施，是保证工艺技术在生产中贯彻和发展的管理科学。
工艺技术的实现和发展是由科学的工艺管理工作来保证和实现的。
工艺工作将各个部门、各个生产环节联系起来成为一个完整的整体。
它的着眼点就是促进每项工作操作简单、流畅、高效率、低强度。
设计和制造电子设备，除满足工作性能的要求外，还必须满足加工制造的要求，电路性能指标的实现，要通过具体的产品结构体现出来。
电子设备是随着电子技术的发展而发展的，其结构和构成形式也随之发生变化。
初期的设备较简陋，考虑的主要问题是电路设计。
到二十世纪四十年代，出现了将复杂设备分为若干部件，树立起结构级别的先进想法；为防止气候影响，研制出密封外壳；为防止机械过载而研制出减振器，设备结构功能进一步完善，结构设计成为电子设备设计的内容。
随后，由于军用电子技术的发展和野战的需要，结构设计的内容逐步丰富起来。
目前，结构设计在电子设备的设计中占有较大的比重，直接关系到电子设备的性能和技术指标（条件）的实现。
电子设备结构设计和生产工艺的任务就是以结构设计为手段，保证所设计的电子设备在既定的工作环境条件和使用要求下，达到技术条件所规定的各项指标，并能稳定可靠地完成预期的功能，即保证电子设备的可靠性。
1．1．3《电子设备结构设计与制造工艺》课程内容
《电子设备结构与工艺》包含了力学、机械学、材料学、热学、电学、化学、美学、环境科学等多门基础学科的内容，是一门综合性的应用型边缘学科，作为一门课程，它的内容只能涉及电子设备机构与工艺的最基本内容，具体包括以下内容：
1.电子设备的工作环境及其对设备的要求；
2.可靠性及提高可靠性的方法；
3.电子产品常用材料的防腐蚀措施；
4.温度对电子设备的影响及散热方法；
5.减振缓冲原理及常用减振器的选用；
6.电磁干扰及其屏蔽，接地技术；
7.电子设备元器件布局与装配；
8.印制电路板的结构设计与制造工艺；
9.电子设备整机装配与调试；
10.电子产品的微型化结构及整机结构。
1.2电子设备的工作环境及其对设备的影响
电子设备所处的工作环境，按其成因大体可为自然环境、工业环境和特殊使用环境。
除自然环境外，工业环境和特殊使用环境一般是人为制造和改变的，故也被称为诱发环境。
表1.1中列举的环境分类包含了电子设备可能遭遇的各种基本环境。
环境因素造成的设备故障是严重的。
国外曾对机载电子设备进行故障剖析，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%。
环境因素造成的设备故障和失效可分为两类：
一类是功能故障，指设备的各种功能出现不利的变化，或受环境条件的影响功能不能正常发挥，一旦外界因素消失，功能仍能恢复；另一类是永久性损坏，如机械损坏等。
表1.1
自然环境
工业环境和特殊使用环境（诱发环境）
温度
雾气
温度梯度
加速度
湿度
辐射
高压、低压
高强度噪声
大气压
真空
瞬态冲击
电磁场
降雨
磁场
高能冲击
腐蚀性介质
风沙
静电场
周期振动
固体粉尘
盐雾
生物因素
随机振动
电子设备所处的环境虽然复杂多样，但按其对设备的影响划分，归纳起来不外乎三个方面，即气候因素影响，机械因素影响，电磁干扰（也称噪声干扰）影响。
1．3对电子设备的基本要求
为使电子设备具有较好的使用性能与制造工艺性能，并使其在各种工作环境下能正常可靠地工作，设计和制造电子设备时应满足相应的要求。
1．3．1工作环境对电子设备的要求
如前所述，工作环境包括气候环境、机械环境和电磁环境，它们影响着设备的性能与寿命，为减少和防止各种因素对设备的不良影响，使其能适应工作环境，对设备提出了以下要求：
1．气候条件对电子设备的要求
（1）采取散热措施，保证电子设备工作温度不会过高，元器件工作温度不超过允许温度。
（2）采取防护措施，保证设备内的结构件、零部件不受潮湿、盐雾、大气污染等气候因素的侵蚀。
对某些电子设备或部件还应采取密封措施。
2．机械条件对电子设备的要求
（1）采取减振缓冲措施，保证设备内的各种元器件、零部件在外界机械条件的作用下不致损坏和失效。
（2）提高设备的耐振动抗冲击能力，保证其工作的可靠性。
3．电磁环境对电子设备的要求
（1）采取各种屏蔽措施，使电子设备在各种干扰存在的情况下，还能有效地工作，从结构上提高电子设备的电磁兼容能力。
（2）通过合理的布线、线路设计和接地，从电路方面减少电磁干扰对设备的影响。
1．3．2使用方面对电子设备的要求
电子设备的生产设计是基于使用的，应充分考虑使用方面对设备的要求。
1．体积重量要求
电子设备正在向小型化发展，体积和重量日益减小，这是电子设备得到广泛应用的原因之一。
减小设备体积和重量不但有经济意义，有时甚至起决定作用。
例如军用电子设备，减小其体积重量，直接影响部队的战斗力和装备使用的灵活性，同时对减小体力消耗，提高战斗力有重要作用。
研究电子设备体积重量的要求，应考虑设备的用途、运载工具、机械负荷等因素。
另外，对于生产批量很大的产品还要特别考虑经济因素。
描述电子设备体积重量的指标主要有两个：
平均比重（重量体积比）和体积填充系数。
首先，紧凑性提高，受到温升限制。
设备的平均比重增大，则单位体积发热量增加，为保证设备正常工作，就需要采用冷却系统，而冷却系统本身就具有一定的体积和重量，反而提高了设备的总体积和总重量。
温升限制是大多数设备（尤其是大功率设备）提高紧凑性时遇到的最大困难。
其次，紧凑性提高，设备稳定度下降。
尤其是超高频和高压设备，分布电容广，易产生自激和脉冲波形变坏。
另外，元器件之间距离小还容易产生短路和击穿。
再次，紧凑性提高给生产时的装配和使用时的维护修理带来一定困难，降低设备的可靠性。
最后，紧凑性高的设备，在整机结构方面要求有较高的零件加工精度和装配精度，因而提高了产品成本。
2．操纵维修要求
电子设备的操纵性能如何，是否便于维护修理，直接影响设备的可靠性。
在设备的结构设计中要全面考虑。
（1）设备要操纵简单，控制结构轻便，为操纵者提供良好的工作条件。
（2）设备安全可靠，有保险装置。
当操纵者发生误操作时，不会损坏设备，更不能危及人身安全。
（3）设备的体积填充系数在可能的情况下应取低一些（最好不超过0.3），以保证元器件间有足够的空间，便于装拆和维修。
（4）有便于维修的结构。
如采用插入式或折叠式的结构；快速装拆结构；可换部件式结构；可调元件、测试点布置在设备的同一面等。
（5）设备应具有过负荷保护装置（如过电流、过电压保护），危险和高压处应用警告标志和自动安全保护装置（如高压自动断路门开关）等，以确保维修安全。
（6）设备最好具备监测装置和故障预报装置，能使操纵者尽早发现故障或预测失效元器件，及时更换维修。
1．3．3生产方面对电子设备的要求
1．生产条件对电子设备的要求
电子设备在研制阶段之后要投入生产。
生产厂的设备情况、技术水平、工艺水平、生产能力、生产周期、生产管理水平等因素，都属于生产条件。
电子设备如果要顺利地生产必须满足生产条件对它的要求，否则，就不可能生产出优质的产品，甚至根本无法生产。
（1）电子设备中的零部件、元器件的品种和规格尽可能地少，技术参数、形状、尺寸应尽最大限度标准化和规格化，尽量采用生产厂以前曾经生产过的零部件或其它专业厂生产的通用零部件或产品，这样便于生产管理，有利于提高产品质量，保持产品继承性，并能降低成本。
（2）设备中的机械零部件、元器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，原材料消耗降低，加工工时短。
例如，零件的结构、尺寸和形状便于实现工序自动化；以无屑加工代替切削加工；提高冲制件、压塑件的数量和比例等。
（3）设备所使用的原材料，其品种规格越少越好，应尽可能地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。
（4）设备（含零部件）的加工精度的要求要与技术要求相适应，不允许无根据地追求高精度。
在满足产品性能指标的前提下，其精度等级应尽可能的低，装配也应简易化，尽量不搞选配和修配，便于自动流水生产。
2．经济性对电子设备的要求
电子设备的经济性包括使用经济性和生产经济性两方面内容。
设备在使用、贮存和运输过程中所消耗的费用，称为使用经济性，其中维修费所占的比例最大，电费次之。
生产经济性是指生产成本，它包括生产准备费用，原材料和辅助材费用，工资和附加费用、管理费用等。
为提高产品的经济性。
在设计阶段应考虑以下几个问题：
（1）研究产品的技术条件，分析产品设计参数、性能和使用条件，正确制定设计方案和确定产品的复杂程度，这是产品经济性的首要环节。
（2）由产量确定产品结构形式和生产类型。
产量的大小决定着生产批量的规模，进而影响生产方式类型。
（3）在保证产品性能的条件下，按最经济的生产方式设计零部件，在满足产品技术要求的条件下，选用最经济合理的原材料和元器件，以降低产品的成本。
（4）周密设计产品的结构，使产品具有较好的操作维修性能和使用性能，降低设备的维修和使用费用。
1．4可制造性设计（DFM）概念
1.4.1可制造性设计概念
为什么现今的管理对设计师在这方面的表现特别重视呢？
主要是因为设计是整个产品寿命的第一站。
在效益学的观点上来说，问题越早发现就能够越早解决，其成本效益也就越高，问题对公司造成的损失也就越低。
在电子生产管理上，曾有学者做出这样的预测，即在每一个主要工序上，其后工序的解决成本费用为前一道工序的10倍以上。
例如设计问题如果在试制时才给予更正，其所需要将会较在设计时解决高出超过10倍，而如果这设计问题没法在试制时解决，当它流到再下一个主要工序的批量生产时，其解决费用就可能高达100倍以上。
此外，对于设计造成的问题，即使公司拥有最好的设备和工艺知识，也未必能够很完善的解决。
所以基于以上的原因，把设计工作做好是门很重要的管理。
所谓把设计做的好，这里指的是包括产品功能、性能、可制造性和质量等各方面。
当前技术的快速发展，如芯片集成、电子组装、材料、生产设备和管理技术等方面快速发展使得电路板组装密度越来越高，电子产品亦向微型化、低价格、多功能方向发展，这就导致制造对设计的依赖越来越强。
不论公司从事的是什么样的产品，不论设计师面对的顾客是内部或是外部顾客，对设计师的要求都可说是一致的。
他们的要求都离开不三方面。
即优良或至少满意的品质、相对较低的成本（或价格）、和有较短而及时的交货期。
而身为一代的设计师，其职责已不是单纯的把产品的功能和性能设计出来那么简单，而是必须对以上所提到的三方面负责，并做出贡献。
目前在工业界里，几乎没有人不谈‘品质’管理的。
先进管理观念强调，品质不是制造出来的，而应该是设计出来的。
这观念有其重要的地方，是使用用户从以往较被动的关注点（生产线上）移到较主动的关注点（设计上）。
但说法不够完善。
严格和具体来说，品质既不是生产来的，也不是单靠设计来的，而应该是配合来的。
好的品质是通过良好的设计（配合工艺和生产能力的设计），优良的工艺调制，和生产线上的工艺管制而获得的。
而这三者又是需要有良好的品质管理理念、知识、系统和制度来确保的。
在确保产品高而稳定的品质、高生产效率和低生产成本、以及准确的交货时间，我们的生产线必须要有一套所谓的‘坚固工艺’（RobustProcess）。
而坚固工艺是必须通过设计、工艺能力、各设备性能之间的完好配合才能实现的。
所谓坚固工艺，是指其对外界各种影响它表现的因素的灵敏度很低。
也就是说，对这些因素的大变化，其整体效果还是稳定不变或只限于合格范围内的变动。
‘坚固的工艺’是相对的，所以一套设计规范也是有其针对性的。
它在某一生产环境下（设备、管理、材料、工艺能力、品质标准）也许是‘坚固’的，但在另一个环境下却可能变得不‘坚固’。
因此，设计的好与不好，也是有它的特定性。
用户必须了解和牢记这一点。
1.4.2DFM涉及的内容
DFM涉及的内容有以下一些方面，
●热对产品的影响
●器件特性
●可检查和可测试性
●对环境的高度适应能力（稳定性）
●耐腐蚀性
●可制造性、可维修性
●防静电能力
对DFM/DFT/DFR/DFA等的要求，给设计人员增加了压力，对于相关不确定的问题，可求助于工艺或相关人员。
产品设计要素有如下一些方面，不同的产品有不同的考虑重点
●DFV——价格设计DesignforValue（performance/priceratio）
●DFR——可靠性设计（DesignforReliability）
●DFM——可制造性设计（DesignforManufacturability）
●DFA——可装配性设计（DesignforAssembly）
●DFT——可测试设计（DesignforTestability）
●DFS——可维护性设计（DesignforServicability）
各设计阶段考虑因素亦有所不同，设计者应明白在设计中应考虑何种内容。
设计步骤和内容注意点
电路DFV,DFM,DFT,DFR
PCBDFA,DFM,DFT,DFR,DFS
热设计DFR
EMC,EMI,ESDDFT,DFR
机械设计DFV,DFA,DFM,DFT,DFR,DFS
软件DFT,DFS
材料选择DFA,DFM,DFT,DFR,DFS
封装及包装DFA,DFR
优良制造性的标准从2方面来定义。
一是产品的可制造性，包括高的生产效率、产品的高稳定性、生产线可接受的缺陷率几方面的定义；另一方面是产品的高可靠性的定义，如产品适应不同环境的变化的参数定义、产品的使用周期定义。
工艺设计内容包括以下一些方面，从可制造性的角度看，设计人员应有所了解，从而在设计中灵活运用，更好的与工艺人员沟通。
●基本工艺路线的选取
●设备能力的考虑
●设备辅助工具的考虑
●工艺设计规范
●工艺参数的调制
●工艺管制及检验
1．5产品可靠性
1．5．1可靠性概述
1．可靠性的概念
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。
可靠性的概念包含三层涵义：
首先，产品的可靠性是以“规定的条件”为前提的。
所谓“规定的条件”是指在规定的时内产品使用时的应力条件、环境条件和储存条件等，。
规定条件不同，产品可靠性不同。
例如，一般半导体器件使用时的输出功率越小，其可靠性越高。
又如，同一台电子设备在实验室中使用和在野外使用，可靠性相差很大，环境条件越恶劣，设备的可靠性越低。
其次，产品的可靠性与“规定的时间”密切相关。
一般说来，产品经过一个老化时间后，有一个较长时间的稳定使用期，以后，随着时间的推移，稳定性逐渐下降，可靠性降低。
时间越长，可靠性越低。
最后，产品的可靠性是用完成“规定的功能”来衡量的。
这里所谓功能是指产品的全部功能，而不是其中一部分。
产品只有完成规定的全部功能，才被认为是可靠的。
可靠性是产品质量的一个重要方面，通常所说的产品质量好，包含两层意思：
一是达到预期的技术指标，二是要在使用中很可靠。
根据研究的具体对象，应对电子产品的使用条件、使用时间、功能和失效做出具体规定。
产品的可靠性是用概率来表示的。
产品在使用过程中，常常因为各种偶然因素，如元件的突然损坏、应力（电负荷、温度、机械影响等）突变、维护或使用不当等的影响而失效，即某一具体产品的失效具有偶然性。
但是，大量偶然事件中包含规律性是必然的。
我们可以用概率的方法来表示随机事件发生的可能性大小。
即我们虽无法确切地知道产品出现失效的时间，但我们可以求出产品在规定时间和条件下完成规定功能的可能性大小。
2．可靠性的主要指标
电子产品功能的发挥，在很大程度上取决于产品可靠性的高低。
在可靠性理论中，描述可靠性的特征量有许多种，这里给出可靠性的最基本的几个指标。
（1）可靠度（正常工作概率）可靠度是指产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的概率。
显然，可靠度是可靠性的定量表示。
通常用R（t）表示。
R（t）=
×100%（1.1）
式中R（t）——产品在时间t内正常工作的概率；
N——试验样品数；
n——规定时间t内的故障数；
（N-n）——规定时间t内仍然完好的产品数。
可靠度的物理意义是：
到某个试验期时，仍然完好的产品数与试验产品总数的比例，即完好产品（不失效）的概率。
试验样品按规定抽取，不可能无穷多，有足够数量即可。
在1.1式中，当t=0时，表示产品试验或工作初期，R（0）=1，表示产品全部完好；当t=∞，即产品试验或工作了无穷长时间，R（∞）=0，表示产品全部达到寿命终止期。
显然，0≤R（t）≤1，R（t）越接近1，表示可靠度越大。
（2）故障率故障率是指产品在规定的条件和规定的时间内，失去规定功能的概率。
通常用F（t）表示。
F（t）=
×100%（1.2）
F（t）越接近1，表示产品故障率越高。
F（t）与R（t）是对立事件，二者的关系是：
F（t）+R（t）=1（1.3）
（3）失效率（瞬时失效率）失效率是指产品工作到t时刻后的一单位时间内的失效数与在t时刻尚能正常工作的产品数之比。
用λ（t）表示，即
λ（t）=
（1.4）
式中N——试验样品数；
Δt——实验时的测试时间间隔，单位为小时（h）
n（t）——时间从0到t时的失效数；
n（t+Δt）——时间从0到（t+Δt）时的失效数；
n（t+Δt）–n（t）——t时刻后，在Δt时间间隔内的失效数；
N–n（t）——时刻t时尚能正常工作的产品数。
失效与产品的可靠度有密切联系。
一般情况下，当λ为常数时，失效率λ与可靠度R（t）满足
R（t）=e-λt（1.5）
即失效率越低，可靠度越高。
λ（t）用单位时间的百分数表示，用1×10-6/1000h（或1×10-9/h）作为失效率单位，即100万个元件工作1000小时后出现一个失效元件，称为1菲特。
失效率等级划分如表1.3表示。
（4）平均寿命（平均正常工作时间）
平均寿命是指产品正常工作的平均时间；对不可修复产品，是指产品失效前的平均工作或贮存时间；对可修复产品，平均寿命是指相邻两次故障间的平均时间。
平均寿命可表达为：
t=∑ti/N（1.6）
式中t——平均寿命；
∑ti——试验样品数正常工作时间之和；
N——试验样品数（对可修复产品，N是试验样品中的维修总次数）。
表1.3失效率等级
名称
符号
最大失效率（1/h）
名称
符号
最大失效率（1/h）
亚五级
Y
3×10-5
八级
B
1×10-8
五级
W
1×10-5
九级
J
1×10-9
六级
N
1×10-6
十级
S
1×10-10
七级
Q
1×10-7
3．可靠性的分类
（1）固有可靠性固有可靠性是指产品的设计、制造时内在的可靠性。
对电子产品来说，产品的复杂程度、电路和元器件的选择与使用、元器件的工作参数及其可靠度，以及机械结构和制造工艺等影响产品的固有可靠性。
对于元器件来说，原料品质、制造工艺、工作参数等影响固有可靠性。
电子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，所用元器件越多，产品固有可靠性越低。
（2）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是否正确、设备选用是否合理，操作方法是否得当以及其它人为的因素。
使用可靠性在很大程度上依赖于使用设备的人。
熟练而正确的操作，及时的维护和保养都能显著提高使用可靠性。
（3）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。
提高设备的环境适应性，主要是对设备采取各种有效的防护措施。
4．可靠性设计的基本原则
（1）设计方案的简化在满足产品性能的要求下，要尽量减化设计方案，减少所用元器件的数目，选用可靠性高的元器件，尽可能降低元器件的使用应力强度（降额使用），这是提高电子产品可靠性的重要环节。
在设计阶段一定要按可靠性要求进行设计。
（2）注意可靠性与经济性的关系产品的可靠性提高，将造成生产和科研费用增加，即生产成本提高，但使用和维修费用将随可靠性提高而降低，因此总的费用不一定增加。
若降低产品可靠性，虽然研制、生产费用下降了，但其使用和维修费将上升，总费用仍有可能增加。
（3）可靠性与可维修性考虑电子产品可靠性设计时，还应考虑可维修
（4）加工工艺的可靠性工艺加工必须保证产品元器件在加工过程中，不致受到热力、机械的和电气的损伤，并严格按照工艺文件的要求进行加工。
应当把可靠性设计与加工的可靠性密切配合起来，以保证产品的质量要求。
关于加工工艺的要求，在以后各章中均有涉及，在此不再赘述。
（5）充分考虑元器件和产品的可靠性，适当采用余度设计和备份设计。
1．5．2元器件可靠性与产品可靠性
1．元器件的可靠性
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