武器装备中电子插件板的环境适应性设计研究

姜广顺，杨召甫

（空军二十三厂，北京 102200）

1 引言

当前，越来越复杂多变的战场环境，对武器装备的环境适应性提出了更高的要求，环境适应性要求已成为军用电子设备的重要性能指标。有资料显示：同一设备，在实验室条件下使用，若单位时间内出现的故障数为1次，在野外地面上使用则为2次，舰载使用为10次，机载为20次，这足以说明环境条件对设备的影响非常大，可能会导致设备出现故障甚至永久性破坏[1]。现代军用电子设备大多是电子插件板密集型产品，电子插件板作为设备的基本组成单元，其性能稳定性、可靠性与环境条件密切相关，不断提高其环境适应性是军品配套研制厂家亟待解决的技术难题，也是结构、工艺设计人员需要始终关注并加强研究的课题。

本文结合科研工作实际，从热设计优化，耐振动、抗冲击，电磁兼容，抗干扰和 “三防”设计等方面讨论电子插件板环境适应性的设计措施。

2 环境适应性设计

2.1 印制电路板的热设计优化 [2]

随着军用电子产品的体积越来越小而功能却越来越强大，电子元器件的封装密度也在不断提高，其热流密度相应地不断增大。当设备工作在0℃以上的环境中，设备内部的温升将导致元器件和零部件的失效率增加，当温度超过一定的数值时，失效率将呈指数规律显著地增大，温度超过极限值时元器件和零部件则出现必然失效。对于绝大多数电子设备来说，温度应力是影响电子设备稳定性和可靠性的最主要因素。

印制电路板的热设计就是控制其上安装的元器件的温度不超过规定值。为了提高电子设备的可靠性，开展作为设备基本组成形式之一的电子插件板热设计是产品设计中不可忽略的重要环节。

a）对于可能存在散热问题的元器件和集成电路芯片等来说，应尽量保留足够的放置以改善方案的空间，目的是为了放置金属散热片和风扇等。

b）在进行印制电路板的布局过程中，各个元器件之间、集成电路芯片之间或者元器件与芯片之间应该尽可能地保留空间，目的是利于通风和散热。将温度敏感的元器件布置在进风端，低功耗器件置于下方，大功率器件布置在印制电路板的上方，发热量大的元器件布置在出风端，应尽可能地使整个印制电路板上的热量分布不过分集中，尤其是数字电路印制电路板，应尽量使其热量分布均匀些。将印制电路板中的较高元器件放置在通风口，但不要阻挡风路。尽量避免交叉安装元器件，以保证气流畅通。

c）热敏元件应远离发热元件，尤其在精密的模拟检测控制系统中，要格外注意这些器件产生的温度场对脆弱的前级放大电路的不利影响。

d）对于印制电路板中热量较大的元器件或者集成电路芯片以及散热元件等，应尽量将它们靠近印制电路板的边缘，以降低热阻。对于那些既大又重、发热量多的元器件，不宜直接装在印制板上，应装在整机的机箱底板上，且应考虑散热问题，必要时单独配接相应尺寸的散热片。

e）在规则容许之下，风扇等散热部件与需要进行散热的元器件之间的接触压力应尽可能地大，同时确认两个接触面之间是否完全接触。

f）对于采用热管的散热解决方案来说，应尽量加大和热管接触的相应面积，以利于发热元器件和集成电路芯片等的热传导。

2.2 印制电路板的电磁兼容设计 [3]

在进行印制板线路设计时，如果只注重提高密度、减少占用空间、制作简单、布置均匀，而忽视线路布局和电磁兼容的影响，就会使大量的信号辐射到空间而形成干扰。印制电路板的电特性设计是否得当，直接影响到板极控制辐射干扰，如果印制电路板设计不当，就将使载有小功率、高精度的快速逻辑电路、或连接到高阻抗终端的一些导线受到寄生阻抗或介质吸收的影响，使印制板电路发生问题。

a）使用多层印制电路板，这样可从结构上获得理想的屏蔽效果：以中间层作电源线或地线，将电源线密封在板内，两面做绝缘处理，可使流经上下面的开关电流彼此不影响；印制板内层做成大面积的导电区，各导线面之间有很大的静电电容，形成阻抗极低的供电线路，可以有效地预防电路板辐射和接收噪声。

b）电源线、地线、印制板走线对高频信号应保持低阻抗，在频率很高的情况下，电源线、地线或印制板走线都会成为接收与发射干扰的小天线，降低这种干扰的方法除了加滤波电容的方法外，更值得重视的是减少电源线、地线、印制板走线本身的高频阻抗。因此，各种印制板走线要短而粗、线条要均匀。

c）大功率、高损耗的元器件由于工作电流大，要注意连接大功率元器件的印制板走线，尽量减小这些走线所形成的环面积，因为辐射干扰的大小与环面积成正比，减小了环面积就等于减小了这部分的辐射。

d）将强信号、弱信号、数字信号和模拟信号电路合理地分区域布置。尽量缩短高频元件之间的连线，高速信号线和时钟信号线要尽量缩短，阻、容元件和半导体器件的引线也要尽量剪短，这样，可有效地减少高频元件间的分布参数和相互间的电磁干扰。

e）对噪声和干扰非常敏感或高频噪声特别严重的电路，应该用金属罩屏蔽起来。铁磁屏蔽对500 kHz高频噪声效果并不明显，采用薄铜皮的屏蔽效果较好。

f）2-W原则：当两条印制线间的距比较小时，两线之间会发生电磁串扰，串扰会使有关电路功能失常。为避免发生这种骚扰，应保持任何线条的间距不小于2倍数印制线条的宽度，即不小于2 W，W为印制线路的宽度。

g）20-H法则：对于多层线路板，地线面的边沿要比电源层或信号线层的边沿外延出20 H，H是地线面与信号线层之间的高度。

h）I/O驱动电路尽量靠近印制电路板边，I/O接口上的滤波器尽量靠近电缆进出口。

i）时钟线垂直于I/O线比平行于I/O线的干扰小。尽量使时钟信号电路周围的电势趋近于0，用地线将时钟区圈起来，高速时钟线尽量短，不要换层，拐角不要90度，尽量远离I/O端口。

2.3 电子插件板的抗干扰设计

为了保证武器装备的可靠性要求，在进行电子插件板设计时，除了必须满足一般的设计要求外，还应该考虑其它的一些抗干扰设计措施。

a）在设计时可以使元器件按不同的方向排列，易受干扰的元器件相互间不能靠得太近，金属外壳的元器件还要避免相互碰触，以防止造成短路。

b）相关电路的元器件要尽量靠近，但输入、输出电路元件应尽量远离，防止输入、输出端之间造成不良的影响。应按照信号的流程逐个安置、排列不同功能元器件的位置，使布局便于信号流通并使信号流向尽可能保持一致的方向。若电路中某些元器件或连线之间，在工作时存在较高的电位差时，则应该加大它们之间的间隔距离，以避免因放电击穿，造成意外短路。

c）在印制电路板上布置逻辑电路，原则上应在输出端子附近放置高速电路，如光电隔离器；在稍远处放置低速电路和存储器等，以便处理公共阻抗的耦合、辐射和串扰等问题。在输入输出端放置缓冲器，用于板间信号传送，可有效地防止噪声干扰。

d）电路板上装有高压、大功率器件时，与低压、小功率器件应保持一定的间距，尽量分开布线。在大功率、大电流元器件周围不宜布设热敏器件或运算放大器等，以免产生感应或温漂。

e）恰当布置地线，印制板在两根信号线之间，加一根地线进行隔离并尽量加宽地线，使地电流局限在尽可能小的范围内。尽量避免两根信号线长距离平行走线，可根据电路的特点采用：一次接地、二次接地、弱信号地、大功率地、模拟地、数字地等各种接地措施，以减少电路与地线之间的电流耦合，如信号电路与电源电路的接地先要分开，继电器电路应当在最大电流点单点接地。

f）妥善布设外连信号线，尽量缩短输入引线，提高输入端阻抗。对模拟信号输入端最好加以屏蔽，当板上同时有模拟、数字信号时，宜将两者的地线隔离，以免相互干扰。

2.4 电子插件板的耐振动、抗冲击设计

随着现代武器装备的发展，移动或车载电子设备越来越多，电子设备在实际的工作环境中受到的机械力有各种形式，如振动、冲击与机械运动所产生的摩擦，而对电子设备危害最大的是振动和冲击，造成设备在某一激振频率的作用下发生共振而损坏，或是疲劳破坏，以及防潮和密封失效等。因此，必须从印制板组件、插件模块、盒式插件模块和插箱模块等一些典型通用模块的设计开始，到专用模块，如冷却模块、隔振模块等模块的设计，形成一个体系。解决好这些模块的密封、屏蔽、抗振设计，提高其抗恶劣环境的能力，从而提高整个设备对恶劣环境的适应性。

a）增强电子插件板结构的强度、刚度，提高元器件承受振动、冲击的能力；强化小型化设计，选用小型化元件和标准电子模块，采用表面贴装技术和高密度组装技术，芯片焊接固定不采用插座。

b）选用导热条（板）式印制板，电路固定采用楔形锁紧装置，其锁紧力大，维修性好，接触热阻也小。

c）对于连接器等受力强度较大的元件，采取加大焊盘或采取加固件的方法合理固定，保证长期插拔使用的可靠性。应根据装备的可靠性指标要求合理选择线簧式或片簧式连接器，线簧式连接器插孔的失效率为10-8～10-9，片簧式连接器插孔失效率为10-6～10-7，当设备的可靠性要求较高时，应选用线簧式连接器。

d）为了防止重力过分集中引起印制板变形，尽量把较重的大元件安排在印制板的四边上，必要时加结构件进行矫正。对于质量超过15 g直接安装在印制电路板上的较大元器件，应考虑用金属支架来固定支撑，以提高耐振冲性能。不能仅靠元器件自身的引脚焊接作为固定，应留出印制板定位孔及固定支架所占用的位置，为此，电路板应具有合理的形状，板上的各种孔（螺钉孔、异型孔）的位置要合理安排。一般孔与板边的距离至少要大于孔的直径。同时还要注意异型孔造成的板的最薄弱截面也应具有足够的抗弯强度。

e）电路板面尺寸大于200 mm×150 mm时，应考虑适当地增加电路板的厚度，以确保具有足够的机械强度。

f）高、中频电路屏蔽盒内外的元器件距盒壁应有2 mm以上的距离。

g）多层印制板上不装元器件的金属化孔应规定用锡补焊，以确保印制电路板层间电气的互连可靠。印制板上装有许多元件时，可用甲基硅橡胶封装，使之成为一个整体，消除元件与印制板间的相互耦合振动。

2.5 电子插件板的 “三防”设计 [4]

电子产品的三防能力就是指产品抗潮湿、盐雾和霉菌的能力。潮湿、盐雾和霉菌对电子设备有很大的影响，它们会使机内凝聚水汽，降低绝缘电阻，元件的介电常数和介质损耗增大，塑料变形，金属腐蚀，材料变质，使所有的有机材料和部分无机材料受到霉菌的侵蚀而降低强度，从而使设备的寿命和可靠性受到影响。

三防技术涉及到材料、元器件、电路、结构和工艺等多方面的工作，要提高电子产品的三防能力，必须从产品的开发设计到制造全过程注入三防设计理念和三防处理工艺的保障。

三防设计理念的注入，可保证产品的电路、元器件、原材料及结构设计具有抗环境变化的优势；而三防处理工艺则可以保障改变和补充设计三防能力的不足，提升电路、元器件和材料抗环境变化的能力。

a）电路设计根据三防要求的不同，采取不同的电路设计和元器件等的选用，以保证元器件等在环境条件下的可靠性。例如：在设计印制电路时要保证导带线足够宽，而面积太大的接地面积要网格化以减少应力。如要对带元器件的印制板采取喷清漆保护时，就需要指明哪些元器件要保护不喷清漆。

b）为保证产品在盐雾、霉菌和潮湿环境条件下正常工作，选择防腐、防霉、防老化材料、优良的镀层和涂料，采用良好的密封措施。对于不能满足功能性或三防性能要求的材料，应当考虑采用喷漆、喷塑、胶粘和灌封等方法进行处理，以满足其要求。

c）三防设计应当考虑后续喷漆、喷塑、胶粘和灌封等所占用的厚度尺寸，以及相应的尺寸对三防性能的影响，如孔因镀涂而变小的问题。

对印制板喷保护清漆时，为保证它的良好浸润，在遇有涂抹导热硅酯时应采取专人涂抹等措施，以防导热硅酯粘附在不需要的地方。

对于需要点加固401系列硅橡胶的印制板，应采取室温下调试完成后，送喷清漆，而后再点加固401系列硅橡胶的处理工艺流程。

3 结束语

武器装备中电子设备的环境适应性设计涉及面广，需要解决的问题比较多，但其作为军用电子设备的一项主要性能指标，以及提高设备可靠性、延长使用寿命的重要手段，必须加以重视。应该将环境适应性设计贯彻到电子插件板、部（组）件等一些典型模块的开发设计、生产制造全过程。积极吸收、采用新的设计思想和材料、先进技术和成熟的工艺对产品进行环境适应性设计。解决好这些基本组成单元的耐气候、机械、电磁以及生物、化学环境能力，从而提高整个设备的环境适应性和使用可靠性。

[1]生建友，关志强.军用电子设备环境适应性设计有关问题探讨 [J].装备环境工程，2009，6（3）：80-83.

[2]毕锦栋，张三娣，郑丽香.基于TASPCB的PCB热分析、热设计技术探讨 [J].电子产品可靠性与环境试验，2009，27（4）： 42-48.

[3]莫世禹.通信及控制系统设备中的电磁兼容设计方法[J].环境技术，2008，（6）：50-55.

[4]陈全寿.如何提高产品的三防能力 [J].环境技术，2009，（1）： 29-32.