電子產品的結構設計

1 電子產品結構設計基礎知識

普通電子產品的結構設計，是相對比較簡單的一種機械設計，主要任務是為電路提供一個保護外殼或安裝支撐平臺，一般沒有運動機構部分，不必考慮磨損和應力，材料的選擇和工藝處理也比較簡單。但電子產品有自身的特殊要求：電磁屏蔽、便于操作、容易安裝與拆卸、使外形具有商品的時代感等。此外，對于不同的應用環(huán)境，還有不同的要求：抗振動、沖擊，熱設計，防水設計，防爆設計，防腐蝕設計，低氣壓。

在電子產品中，安裝了電子元器件及機械零部件，使產品成為一個整體，稱之為電子產品的結構系統(tǒng)。這種結構系統(tǒng)包括：機箱、機架、機柜結構。電子產品的整機在結構上通常由組裝好的印制電路板、接插件、底板和機箱外殼等構成。

電子產品的結構設計，是把構成產品的各個部分有機的結合起來的過程，是實現(xiàn)電路功能指標、完成工作原理、組成完整電子裝置的過程。整個過程包括元材料的選用、模塊及印制電路板的尺寸設計、模塊間連接安裝、產品的外形設計、抗干擾措施及可維修等等方面。

1）結構設計的要求

①保證產品技術指標的實現(xiàn)（工作可靠、性能穩(wěn)定）

②良好的結構工藝性（適合批量生產或自動化生產）

③貫徹執(zhí)行標準化（零件、部件、模塊、插箱、機柜等）

④體積小、重量輕、造型美觀大方

⑤便于設備的操縱、安裝與維修

2）電子產品結構工藝要求

①結構裝配工藝應具有相對的獨立性。（模塊化） ②機械結構裝配應有可調節(jié)環(huán)節(jié)，以保證裝配精度。（可裝配性）

③機械結構裝配中所采用的連接結構，應保證安裝方便和連接可靠。（結構牢固性）

④機械結構裝配應便于產品的調整與維修。（維修可到達）

⑤線束的固定和安裝要有利于組織生產，并使整機裝配整齊美觀。（生產便利）

⑥要合理使用緊固零件。

⑦提高產品耐沖擊，振動的措施。

⑧應保證線路連接的可靠性。

⑨操用調諧機構應能精確、靈活和勻滑地工作，人工操作手感要好。

3）結構設計流程

①總體規(guī)劃（如：外形、材料、工藝）、確定方案（多種方案比較）

②理論計算（散熱、重量、重心、尺寸等）

③模擬與試驗 （需要的話）

④二維與三維 CAD （用三維可實現(xiàn)裝配的模擬）

⑤注意優(yōu)化、可靠性、性價比，盡量采用標準化、通用化零部件

4）結構設計的一般方法

①熟悉設備的技術指標和使用條件

②確定結構方案

③確定機殼的尺寸和所用的材料

④進行總體布局以機箱設計為例，下圖是機箱設計的過程和方法。

隨著電子產品范圍的不斷擴大，其功能日趨復雜，結果是產品的元器件數目、體積、重量、耗電量和成本增加了，而可靠性卻在下降。解決這個問題的主要方法就是在產品中大量采用集成電路，采用集成度更高的芯片和模組，這就導致電子設備結構的變革，使產品電路板的結構微型化，產品結構向模塊化和歸一化方向發(fā)展。最典型的代表就是電腦和手機，功能越來越強大、體積越做越小，模塊化設計的功能組件越來越多。不同手機廠家的屏幕、電池和攝像頭等組件，都采用相同的模組。這樣設計一方面可以降低整機設計的難度，另外一方面可以降低制造成本。

2 電子產品的電氣連接方式

電子產品組裝部件間的電氣連接，主要采用印制導線連接、導線、電纜以及其它電導體等方式進行連接。

1）導線

導線是能夠導電的金屬線，是電能和電磁信號的傳輸載體?？煞殖陕憔€、電磁線、絕緣電線電纜和射頻電纜四類 。裸線是指沒有絕緣層的單股或多股導線，大部分作為電線電纜的線芯，少部分直接用在電子產品中連接電路。

電磁線是指有絕緣層的導線，絕緣方式有表面涂漆或外纏紗、絲、薄膜等，一般用來繞制電感類產品的繞組，所以也叫做繞組線、漆包線。

絕緣電線電纜是指包括固定敷設電線、絕緣軟電線和屏蔽線，用作電子產品的電氣連接。

射頻電纜是指包括用在電信系統(tǒng)中的電信電纜和高頻電纜。有軟性、半鋼性、鋼性。

導線一般由導體芯線和絕緣體外皮組成。導體芯線一般采用導電性能較好的銅線和鋁線。純銅線的表面很容易氧化，一般導線是在銅線表面鍍耐氧化金屬，比如：普通導線鍍錫能提高可焊性；鍍銀能提高電性能，可以用作高頻導線；鍍鎳能提高耐熱性能，可以用作耐熱導線。

描述導線線芯粗細有線號和線徑兩種方式，線號制是按導線的粗細排列成一定號碼 ，線號越大，其線徑越小，英、美等國家采用線號制。線徑制是用導線直徑的毫米（mm）數表示線規(guī)，中國采用線徑制。

絕緣外皮除了電氣絕緣外，還有增強導線機械強度、保護導線不受外界環(huán)境腐蝕的作用。導線絕緣外皮的材料主要有：塑料類（聚氯乙烯、聚四氟乙烯等）、橡膠類、纖維類（棉、化纖等）、涂料類（聚脂、聚乙烯漆）。常見的塑料導線、橡皮導線、紗包線、漆包線等。不同種類的導線如下圖所示。

2）電磁線

具有絕緣層的導電金屬線，用來繞制電工電子產品的線圈或繞組，作用是實現(xiàn)電能和磁能轉換。

3）帶狀線（排線）

導線根數有 8、12、16、20、24、28、32、37、40 線等規(guī)格，如下圖所示。

4）電源軟導線

電源軟導線選型時有以下三個注意事項：

①選擇電源線的載流量，要比機殼內導線的安全系數大。

②要考慮氣候的變化，應該能經受彎曲和移動。

③要有足夠的機械強度。

RVB、RVS 適合用作電源軟導線。

RVB 全稱兩芯平型銅芯聚乙烯絕緣軟電線，沒有護套結構扁形軟線，俗稱紅黑(平行) 線。常用作內部安裝用線，比如家用電器、小型電動工具、儀器、儀表及動力照明連接用電等。

RVS 全稱銅芯聚氯乙烯絕緣絞型連接用軟電線、對絞多股軟線，簡稱雙絞線，俗稱“花線”，現(xiàn)階段此種線材多用于消防系統(tǒng)，也叫“消防線”。字母 S 代表雙絞線,字母 R 代表軟線, 字母 V 代表聚氯乙烯(絕緣體)。

RVS 雙絞線的用途:

①多用于消防火災自動報警系統(tǒng)的探測器線路

②適用于家用電器、小型電動工具、儀器儀表及動力照明用線。雙白芯用于直接接燈頭線:紅藍芯用于消防、報警等;紅白芯用于廣播、電話線;紅黑芯用于廣播線。

③用于連接功放與音響設備、廣播系統(tǒng)傳輸經功放機放大處理的音頻信號。

RVS 與 RVB 的區(qū)別：RVB 為平行軟線，RVS 為雙絞軟線。

5）同軸電纜與高頻饋線

阻抗與頻率無關、具有一定特性阻抗的導線。但要注意頻率衰減和通過功率。

6）高壓電纜

高壓電纜一般采用絕緣耐壓性能好的聚乙烯或阻燃性聚乙烯作為絕緣層，而且耐壓越高，絕緣層要求就越厚。

7）網絡連接線——雙絞線

計算機網絡通訊中，由于工作頻率較高，信號電平較低，通常采用抗電磁干擾能力較強的雙絞線作為各種設備之間的連接饋線。

雙絞線有 EIA/TIA 568B 標準和 EIA/TIA 568A 標準兩種接法，如下圖所示。

8）FFC 扁平排線

FFC 扁平排線如下圖所示

FFC的主要特點是：

①制造微型化、小巧、高密集成；

②節(jié)省空間；

③簡化配線程序，連線簡單；

④節(jié)省人力成本；

⑤柔性優(yōu)良、應用靈活、可折疊。

FFC 主要用于打印機、掃描儀、音響、MP3、影碟機、數碼相機、攝影機、傳真機、

復印機、LCD-TV、移動電話、寫真機等領域的信號傳輸及內部配線。

3 抗振設計

為什么要做抗振設計

一旦產品過了質保期，基本就進入了“偶然失效期”，這個階段產品發(fā)生故障的概率進入比較低的階段。那么這個階段，產品一般在穩(wěn)定使用，也不會出現(xiàn)搬運，高低溫（室內設備）的考驗。通過下圖，可以看出，電子設備的故障由于環(huán)境應力的因素比重。

隨機振動,我們可以看到其在失效原因中排在非?？壳暗奈恢?。

電子設備在運輸使用過程中，會受到各種機械力的干擾，有周期性的振動，也有非周期性干擾，還有做非直線運動時受到的加速度和無規(guī)則運動對設備產生的隨機振動干擾。這些惡劣的機械環(huán)境都可能造成傷害，其中最大的傷害就是振動和沖擊。

由于電子設備內部電子元器件的種類和數量都比較多，許多元器件承受的機械環(huán)境的能力都較弱，因此機械作用力而引起設備損壞和故障率也很高。故在進行電子設備的結構設計時，因根據使用場合，了解環(huán)境條件對設備的影響。采用針對性的措施，以低成本的方式解決傷害問題。

結構抗振設計

1、結構設計時應該提高結構剛性：

a）框架結構應盡量采用三角形穩(wěn)定結構；

b）避免在大面積的支撐結構上連續(xù)開孔

c）竟可能采用焊接、鑄造結構，在使用螺栓連接的場合，應具備足夠的緊固力并有防松脫措施。

d）設備內部的各個組件的剛度應該與整體保持一致，薄弱環(huán)節(jié)需要做加固處理。

2、避免共振

a）當振動源的激勵頻率很低的時候，應增強設備結構的剛性，提高設備及元器件的固有頻率和振動源激勵頻率的比值，使得隔振系數接近于1，以防止發(fā)生共振。

隔振系數：

根據激振源的不同，隔振可分為兩類。對于本身是振源的設備，為了減少它對周圍機器、儀器和建筑物的影響，將它與支承隔離開，以便減小傳給支承上的不平衡慣性力，稱為積極隔振，又稱主動隔振。水泵、發(fā)動機、鍛錘機械等的隔振就屬此類。積極隔振系數ηz表示積極隔振效果；它等于隔振后傳到地基上的力除以未隔振時傳到支承上去的力。對于振源來自支承振動的情況，為了減少外界振動傳到系統(tǒng)中來，把系統(tǒng)安裝在一個隔振的臺座上，使之與地基隔離，這種措施稱為消極隔振，又稱被動隔振。車輛的乘座、精密儀器的安裝、環(huán)境運輸的包裝、艦艇上導彈發(fā)射架的隔振等都屬此類。消極隔振系數ηb表示消極隔振效果，它等于隔振后機器設備的振幅除以支承運動的振幅。隔振系數小表示隔振效果好。兩類隔振系數的計算公式是相同的。

對于單自由度隔振系統(tǒng)，

式中η為隔振系數；

λ=

，ωj為激勵頻率，ωn為隔振系統(tǒng)固有頻率；c為粘性阻尼系數，cc為臨界阻尼系數。

隔振系數公式可用圖1中的曲線表示。從圖上可以看出：

①只有當頻率比λ>

 時，才有隔振效果，且隨著λ增加，隔振效果也逐漸增大，實用中取λ=2.5?5；

②增大阻尼可以減小機器在起動和停車過程中經過共振區(qū)（見線性振動）的振幅，但在時，阻尼的增加反而減小隔振效果；

③常用的隔振器材由于阻尼系數不大，在λ=2.5?5范圍內計算隔振系數時，可按無阻尼情況考慮。

隔振系數公式依據下列假設：機器或設備是剛體，地基是無限大的剛體；隔振器由無質量的線性彈簧和無質量的粘性阻尼器組成。實際情況和假設有出入，故隔振系數的實際公式也同理論公式有出入。近代研究發(fā)現(xiàn)隔振器在用于低頻激振時很有效，但用在高頻時效果不夠理想。當激振力頻率增大時，隔振系數的曲線中出現(xiàn)了一系列峰值（圖2）。主要原因是高頻振動在結構中以彈性波形式傳播，激起了結構介質的波動效應。為了改善高頻時的隔振效果，除采用波動效應小的橡膠彈簧代替金屬彈簧外，目前還發(fā)展了雙質量隔振系統(tǒng)，并已用于艦船等設備中。

圖2考慮波動效應后的隔振系數曲線

有時被隔振的機械或儀器可能受到幾個方面的激勵（見振動），此時隔振設計應按多自由度系統(tǒng)進行，即應考慮被隔振物體的直線振動、扭轉振動以及它們之間的耦合振動。

b）隔振設計要點

隔振設計的要點是：首先要對環(huán)境振源進行調査，包括振源類別、量級、方向和頻率范圍等項目；其次根據隔振體本身的重量和隔振要求，按頻率比λ≥2.5?5進行計算，選擇減振器型式、裝配方式和參量（阻尼系數、剛度）；最后用儀器測試校核隔振效果，驗算隔振系數。

常用的隔振器材有天然或人造橡膠制品、金屬彈簧制品、不銹鋼絲網制品以及近十年出現(xiàn)的多種高分子化合物的粘彈性材料制品。這些器材既可用來隔振，又能起抗沖、降噪作用。

把機械安裝在合適的彈性裝置上以隔離機械振動傳播的措施。依振源的不同有兩種性質不同的隔振措施(圖1)。如果機械本身是振源，應使它與支承隔離，以減少對周圍的影響，這稱為主動隔振。如振源來自支承的運動，為減少外界振動對機械的影響，須使支承與機械隔離，這稱為被動隔振。

隔振系數η表示隔振的效果。主動隔振系數ηz與ηb概念不同，但計算公式相同。其值越小隔振的效果越好。對于單自由度隔振系統(tǒng)式中λ=ωj/ωn為頻率比,即激勵頻率ωj與隔振系統(tǒng)固有頻率ωn之比，ζ為阻尼比。根據隔振系數曲線（圖2）：①無論阻尼大小,只有當頻率比時才有隔振效果，而后隨λ的增加隔振效果逐漸增加,實用中取λ=2.5～5已經足夠；②增大阻尼可減小機械在起動和停車過程中經過共振區(qū)時的振幅，但在后，增大阻尼反而減小隔振效果；③由于一般隔振材料阻尼系數不大,在λ=2.5～5范圍內計算隔振系數時,可按無阻尼情況考慮。具體的隔振措施有設置彈性支撐物和防振溝等。對于隔振效果要求很高的精密儀器，一般采用多層隔板；對于多向激勵、多種響應的復雜隔振系統(tǒng)，則要考慮直線振動、扭轉振動和它們之間的耦合，隔振系數須按多自由度模型進行計算。當頻率比λ變化較大時，如寬頻帶激勵和重量變化大的機械，采用非線性隔振系統(tǒng)可以收到較好的隔振效果。在隔振設計中，根據振源振動量的大小、方向和頻率,以及被隔振機械的尺寸、重量和隔振要求，確定隔振裝置的參數和結構型式。

隔振材料選用

隔離振動所用的材料一般有軟木、毛氈、泡沫乳膠、橡膠、金屬彈簧和空氣彈簧等。相應地也形成了海綿隔振墊、橡膠隔振器、金屬彈簧隔振器、空氣彈簧隔振器等。空氣彈簧隔振器固有頻率接近1Hz，是一種比較理想的高效能隔振器，但輔助系統(tǒng)太復雜，僅用在有特殊要求的精密儀器上。目前在電子設備中廣泛使用的是橡膠隔振器和金屬隔振器。

橡膠隔振器是以金屬作為支撐骨架，并與橡膠在壓模內硫化而成的。它具有較大阻尼（對高頻振動的能量吸收有特效）、造價低、且制造比較簡單方便，所以應用比較廣泛，在早期的艦艇上應用非常普遍。但橡膠本身的性質受溫度、光照、油性環(huán)境等影響比較大，容易老化，現(xiàn)在已經逐漸被金屬隔振器所取代。采用三維庫侖阻尼和粘性復合阻尼的新型橡膠隔振器改變了結構，能在低頻有效地抑制共振，當振動頻率高于12-15Hz時具有良好的隔離效果，對沖擊衰減也很明顯，已經在聲吶、雷達、車載電臺上廣泛采用，但由于要給橡膠件以變形空間，所以尺寸較大。

金屬隔振器對環(huán)境條件反應不敏感，不易老化、性能穩(wěn)定，設計和計算比橡膠的容易，但它的阻尼過小，容易傳遞高頻振動，在經過共振區(qū)時，設備會產生過大的振幅，有時需要另加阻尼器或在隔振器中附加零件作為摩擦元件形成阻尼。電子設備中經常采用的GS型全金屬鋼絲繩隔振器，如圖2所示，它是利用多股鋼絲繩之間相對滑移而產生的非線性干摩擦滯后，來大量吸收和耗散系統(tǒng)運動能量，以改善系統(tǒng)運行的動態(tài)平穩(wěn)性，保護設備安全工作的。這種隔振器尺寸較小，在比較狹小的場合內比較合適，例如航空、航天領域的電子設備中，在艦艇上也大量應用。

在電子設備中另一種常用的金屬隔振器是GWF型無諧振峰隔振器，其典型結構如圖3。它采用剛度擬合技術和干摩擦阻尼技術來實現(xiàn)低固有頻率、無共振放大、并可兼顧緩沖的結構設計，調節(jié)螺旋簧可以調節(jié)隔振器的載荷，調節(jié)阻尼簧可以調節(jié)阻尼特性，因而可實現(xiàn)在三個座標軸方向全頻帶（例如0～5000Hz）內無諧振峰。

橡膠隔振器：承載能力低，阻尼大（阻尼系數0.15~0.3）有蠕變效應，可做成各種形狀。

空氣彈簧隔振器：剛度由壓縮空氣的內能決定。阻尼系數0.15~0.3

金屬彈簧隔振器：承載能力高，變形量大，剛度?。ㄗ枘嵯禂?.01），水平剛度較豎直剛度小，易晃動。

泡沫橡膠和泡沫塑料：彈性強，剛度小，阻尼系數為0.1~0.15，固有頻率可設計的很低，承載能力低，性能不穩(wěn)定，易老化

c）盡量提高設備的固有振動頻率，電子設備機柜的固有頻率應為最高強迫頻率的兩倍，電子組件因為機柜的兩倍。如艦船和潛水艇的振動頻率一般的振動頻率為12~33Hz，機柜固有振動頻率應該不低于60Hz，電子元器件的固有頻率應該高于120Hz。

電路抗振設計

1、選擇剝離強度高的基板材料

PCB基板剝離強度測試：

2、PCB采用大面積的焊盤和導電圖形。

3、對元器件采用局部或者整體加固。

4、必要時PCB加金屬框架

5、電阻器安裝應該考慮由于溫升導致的膨脹，電阻器好固定電容器的重量大于15g時，不得用引線作為支撐，引出線的元器件的端部到焊點的距離不得超過25mm。

6、凡是依靠自身引線支撐的元器件，軸向引線元器件每根引線承載重量不得大于7g，徑向引線元器件每根引線承載重量大于3.5g時，需要加固；單體重量大于31g時，需要加固。并且注明加固方法：粘固、綁扎。

7、沖擊振動環(huán)境惡劣的情況下，PCB設計面積尺寸不宜過大。否則，采用結構加固措施。

8、加固材料

a）加固材料一般采用單組分硅橡膠，特殊要求元器件采用透明環(huán)氧樹脂加固。

透明環(huán)氧樹脂是雙組份的膠凝材料，按體積比：A組比B組=2.5ML比1ML即A組25克，B組10克；按質量A組比B組=3g比1g。使用時兩組混合后一定要順同一個方向攪拌均勻到位。一般透明樹脂都自帶消泡劑，如氣溫過低或滴加后產品有氣泡需抽真空，進行排氣。抽真空時最好加防護罩，避免污染，全生產過程注意不要弄臟產品。偏大的產品會有明顯的體積收縮。一般25攝氏度60-80分鐘固化。

b）加固材料的相容性控制：硅橡膠加固時，不能選用聚氨酯類圖層，硅橡膠與這類圖層附著力差，容易剝落；應選用郵寄硅類圖層。

c）加固時，產品黏附部分呈水平狀態(tài)，防止平穩(wěn)；加固材料低于引線與PCB連接處，或者元器件與PCB之間的位置。固化，形成支撐物24h后，以60度烘烤半小時，出去揮發(fā)性副產物，實現(xiàn)氣體排出，結構結實。

4 整機絕緣材料和布線

1、絕緣材料選擇絕緣材料時，主要考慮以下幾方面的因素：

① 抗電強度，每毫米厚度的材料所能承受的電壓。

②機械強度，每平方厘米所能承受的拉力。

③ 耐熱等級，絕緣材料允許工作的最高工作溫度。

幾種常見絕緣材料的耐熱等級如下：

2、整機布線和扎線工藝配線使用不同顏色的導線，便于區(qū)分電路的性質和功能以及減少接線的錯誤。

布線遵循以下原則：

①應減小電路分布參數。

②避免相互干擾和寄生耦合。

③盡量消除地線的影響。

④應滿足裝配工藝的要求。

5 整機的環(huán)境（自然）適應性設計——三防設計

三防設計的的定義：根據電子設備壽命期環(huán)境剖面及三防等級要求,對其系統(tǒng)設備和某

些特定單元及部件采取的防濕熱,防霉菌,防鹽霧腐蝕的設計思想,設計方法和防護工藝措施。

三防設計的原則：①將三防設計納入到系統(tǒng)和設備的功能設計中,避免單純的工藝防護和事后補救措施.

②按規(guī)范設計，避免設計的隨意性。

③三防新設計,新工藝,新材料必須經試驗、評審并制定典型工藝規(guī)范。

④設備及關鍵部件的三防性能,須按軍標中有關規(guī)定進行試驗,以滿足必需的環(huán)境適應性要求.。

⑤跟蹤設備在(使用)壽命期內所出現(xiàn)的三防問題。

1、環(huán)境條件分類

1）按自然氣候分：如濕熱、干熱、暖溫、寒溫、寒冷……

2）按產品所處狀態(tài)：如運輸、貯存、使用等；

3）按照產品使用場合：室內、室外、艦船、車載、機載……

4）按環(huán)境因素的屬性：如氣候、機械、生物、電磁、特殊介質… 第四種分類法是 70 年代后期國際電工委員會推薦的分類法，適合于電工、電子產品。

2、環(huán)境（自然）適應性相關術語

1）壽命期環(huán)境剖面（Life cycle environment pro）

LCEP 用以表征設備在整個壽命期內會暴露于其中的環(huán)境或環(huán)境的綜合，LCEP 應包括以下內容：

①從設備出廠驗收、運輸、貯存、使用、維修直到報廢所遇到的環(huán)境應力 的綜合；

②每個壽命期階段的環(huán)境條件相對和絕對限期出現(xiàn)的次數及頻度的可能性。

③LCEP 是設備制造商在設計前應了解的信息,包括：

A使用或部署的地域；

B設備要安裝、存儲或運輸的平臺；

C有關相同或類似的設備在此平臺環(huán)境條件下應用狀況。

LCEP 應由設備制造商的三防專家制定，是設備三防設計和環(huán)境試驗剪裁的主要依據，它對要研制的設備在真實環(huán)境下的性能和幸存性方面的設計提供依據。它是個動態(tài)文件，一旦得到新的信息，它它應當定期修訂更新。LCEP 應在設備的設計規(guī)格書中環(huán)境要求部分出現(xiàn)。

2）平臺環(huán)境（Platform environment）

設備由于被連接到或裝載于某一平臺上后而經受的環(huán)境條件。平臺環(huán)境是由此平臺和任何環(huán)境控制系統(tǒng)誘發(fā)或強迫作用造成的結果。

3）誘發(fā)環(huán)境（Induced environment）

主要是指人為的或設備產生的某一局部環(huán)境條件，也指自然環(huán)境強迫作用和設備的物理化學特性綜合影響造成的任何內部條件。

4）環(huán)境適應性（Environmental adaptability）

電子設備、整機、分機、元器件以及材料在預期的環(huán)境中實現(xiàn)其功能的能力。

3、環(huán)境類型和三防等級

對環(huán)境條件進行分類，就有了環(huán)境類型。但環(huán)境類型種類繁多，至今分類方法不一。但在三防技術領域，環(huán)境條件根據設備的使用場所和實際承受環(huán)境來劃分是比較實用和直觀的，可分為 A、B、C、D 四種三防環(huán)境類型。從 A 類環(huán)境到 D 類環(huán)境，環(huán)境條件越來越惡劣。

1）A 類環(huán)境

A類環(huán)境指溫度和濕度受控的環(huán)境。比如有空調的地面室內和車載方艙環(huán)境。A 類環(huán)境往往被稱為較好的環(huán)境類型。

2）B 類環(huán)境

B類環(huán)境指溫度和濕度不受控的地面室內環(huán)境以及戶外具有遮蔽的環(huán)境。在 B 類環(huán)境下，相對濕度偶爾能夠達到 100%，設備內部可能凝露。B 類環(huán)境雖然溫濕度不受控但整體環(huán)境并不十分惡劣。

3）C 類環(huán)境

C類環(huán)境指氣候腐蝕和污染較嚴重的惡劣環(huán)境。如海洋、海島及距離海岸直線距離 37公里區(qū)域的環(huán)境、海上艦船環(huán)境、鹽堿地及其周邊 37 公里范圍內區(qū)域的環(huán)境、釋放有害物質(主要是酸、堿、鹽、二氧化硫和硫化氫等)的工廠及其周邊 3 公里范圍區(qū)域的環(huán)境。

4）D 類環(huán)境

D類環(huán)境專指空間環(huán)境。航天器在空間飛行過程中，影響設備工作的全部外界條件總和，包括自然的、人為的或其它誘導條件。空間環(huán)境極其惡劣，近真空、微重力、高輻射和原子氧腐蝕是其最顯著的特點。

另外，對于設備的結構件，可分為 I 型表面和Ⅱ型表面。

I 型(暴露)表面

I 型表面，專用于設備的結構件，指設備處于工作或行進狀態(tài)時暴露于自然環(huán)境的表面，

或雖然未暴露于自然環(huán)境但能夠受到各種氣候因素直接作用的表面。這里的氣候因素包括: 極端溫度、極端濕度、雨、雪、含鹽大氣、工業(yè)大氣、日光直接照射、塵埃和風砂等。例如，電子方艙的外表面就屬于 I 型表面;戶外天饋系統(tǒng)的外表面均屬 I 型表面。

Ⅱ型(遮蔽)表面

Ⅱ型表面，專用于設備的結構件，指設備工作時不暴露于自然環(huán)境，并且不會受到雨、

雪等直接作用和日光直接照曬的表面。例如，電子方艙的內表面以及方艙內電子設備的所有表面都屬于Ⅱ型表面。

相應的，處于 I 型表面的結構件稱為 I 型結構件；處于Ⅱ型表面的結構件稱為Ⅱ型結構件。

三防等級分一級和二級,一級防護針對有抗惡劣環(huán)境設計要求的電子設備。二級防護針對在良好環(huán)境下工作的電子設備。

在分析設備的三防等級時，需考慮下列因素:

A.電子設備的服務期限一般規(guī)定為 15 年，考慮到技術的飛速發(fā)展和設備快速更新的需求以及費用成本的因素，通常按 10 年的設備壽命采取三防設計措施:

B.設備在壽命期環(huán)境面的條件下能夠可靠正常地工作

C.于成本原因的考慮，一般不按壽命期環(huán)境條件的極值進行三防設計，而按綜合條件折中設計這樣既可滿足技術實現(xiàn)的可行性，又可滿足一般惡劣環(huán)境條件的廣泛適用性。

在最終確定設備的三防等級時，需考慮下列因素：

1）三防等級是根據設備的實際壽命期環(huán)境剖面確定的。因此同一種功能和性能的設備安裝使用在不同的平臺或不同的地區(qū)時，其防護等級可以不同；

2）在某些情況下，可以用一級防護代替二級防護，而不允許用二級防護代替一級防護；

3）任何設備在研制初期，必須確定三防等級。

一般來說，B 類、C 類和 D 類環(huán)境以及結構件的 I 型表面均應采用一級防護;A 類環(huán)境及結構件的Ⅱ型表面一般采用二級防護。

4、環(huán)境因素及其影響

環(huán)境因素包括溫度、濕度、粉塵、鹽霧、游離腐蝕性氣體 ( SO2 H2S SO3- )、霉菌、昆蟲和嚙齒類動物、太陽輻射。

1）溫度的影響

A. 正面影響，高溫對驅潮濕有利，并可防止凝露及露點的產生。

2）負面影響，當設備工作時會產生熱量，機柜內部氣壓升高而氣體外溢。而不工作時氣溫下降，則外部濕氣及污染物會進入機柜內。

2）濕度的影響

①設備和工程材料腐蝕過程中, 水是主要的介質。

②當大氣中 RH＜20 %時，幾乎所有腐蝕現(xiàn)象都停止. 因此防潮是三防中最重要的一環(huán)。

③當 RH 達到 60 % 時, 設備表面層會形成 2~4 個水分子厚的水膜.當有污染物溶入時, 會有化學反應產生。

④當 RH 達到 80 % 時, 會有 5~20 個分子厚的水膜, 各種分子都可自由活動

⑤當有碳元素存在,可能產生電化學反應.

⑥臨界濕度` (Critical R·H ）-----一種物質明顯吸收水份的濕度。例如：

a.氯化鈉：當在 20℃ 時，CRH 為 75 %

b.鐵或鋼：當在 20℃ 時，CRH 為 65 % c.鋅合金：當在 20℃ 時，CRH 為 70 %

水分子很小，足以能穿透某些高分子材料的網狀分子間隙而進入內部或通過涂層的針孔而達到底層金屬產生腐蝕。

3）潮濕（冷凝）的影響

對電子設備而言，潮濕是以三種形式存在：雨水，冷凝和水汽。水是電解質，能溶解大量的腐蝕性離子對金屬產生腐蝕。當設備的某一處的溫度低于“露點”（溫度）時，該處結構件或 PCB 的表面會有凝露產生。

影響電路板的主要是凝露和灰塵，當凝露的水分蒸發(fā)后，污染物就會以一圈的形式殘留在電路板上，其中硫酸鹽占的比例為 25~60 %，這一圈將是吸附潮濕，腐蝕 PCB 及器件的源頭。潮濕同時是酶菌、鹽霧的載體。

4）潮濕（濕熱）的影響

A.破壞防護渡層，加速電化學腐蝕；

B.結構件銹蝕，影響外觀及功能；

C.對電路板（PCBA）可產生電流泄漏、信號串擾、枝晶生長、導線斷開；

D.絕緣材料受潮使絕緣電阻和耐壓水平下降，造成短路、爬電、飛弧甚至于火災。

E.射頻接口對潮濕更敏感；

F.微波器件功率下降，甚至于失效；

G.EMC 襯墊/鋁合金產生電化學腐蝕而失效。

4）粉塵的影響

粗粉塵是直徑在 2.5~15 微米的不規(guī)則顆粒, 一般不會引起電弧等問題，但會影響連接器的接觸.

細塵是直徑小于 2.5 微米的不規(guī)則顆粒, 細塵落在 PCB（單板）上有一定的附著力，須通過防靜電刷才可除去。細塵的腐蝕性很大，尤其是當含有腐蝕性的酸、堿、鹽時，當 RH 大于 60%時，能透過阻焊膜或敷形涂層將銅導線腐蝕斷開。

粉塵+鹽霧+濕熱對 PCB 的腐蝕最大。C 類環(huán)境最容易發(fā)生這類腐蝕問題。

粉塵的防護：

①采用密封或半密封結構設計

②定期更換設備的防塵網

③定期清潔處理設備

4）鹽霧的影響

鹽霧的形成：鹽霧是海浪、潮汐及大氣環(huán)流（季風）氣壓、日照等自然因素造成，會隨風飄落至內陸，其濃度隨離海岸距離而遞減，通常離海岸 1Km 處為岸邊的 1 % （但臺風期會吹向更遠）。

鹽霧的危害性：使金屬結構件鍍層破壞；加速電化學腐蝕速度導致金屬導線斷裂、元器件失效。

另外還有類似的腐蝕源，操作過程中需要注意：

①手汗中有鹽、尿素、乳酸等化學物質，對電子設備回產生與鹽霧同樣的腐蝕作用，因此在裝配或使用過程中應戴手套，不可裸手觸摸鍍層。

②焊劑中有鹵素及酸性物，應進行清洗，并控制其殘留濃度。

5）有害氣體的影響

大氣中污染物存在的形式：

①以氣體形式,如 H2S SO2 O3 CO NH3

②懸浮的有機酸和無機酸；

③離子懸浮棵粒；這三種形態(tài)都依賴于潮濕才能起腐蝕作用。

局部微環(huán)境的有害氣體：

①橡膠、塑料、油漆、PVC 導線、包裝材料釋放的有害氣體；

②有害氣體：H2S SO2 乙酸、甲醛、有機氣氛、揮發(fā)性有機硅類氣氛等。

③RTV 硅橡膠固化時釋放的有害氣體——在密封機箱內, 禁用雙組份縮合型硅橡膠；慎用 RTV 單組份硅橡膠。有害氣體的危害：

①銀層變色

H2S、SO2 及其它含硫氣氛在潮濕和紫外線作用下使鍍銀件產生化學反應生成 Ag2S。

②加速銀離子遷移

在潮濕和有電位差的條件下，銀離子會發(fā)生遷移，而 H2S、SO2 會加速其遷移，結果是厚膜電路引線間短路而造成災難性后果。

③鍍層腐蝕

陰極鍍層：在潮濕條件下通過孔隙腐蝕底層金屬；在電路板有電位差情況下會產生枝晶生長、造成短路、電弧和潛在的失火源。

陽極鍍層：對鍍鋅等陽極鍍層會破壞鈍化膜從而加速腐蝕。

④貴金屬觸點“中毒”

6）霉菌的影響 霉菌的危害：

①霉菌吞噬和繁殖使有機材料絕緣性下降, 損壞而失效。

②霉菌的代謝產物是有機酸, 影響絕緣性及抗電強度而產生電弧。

③長霉表面影響外觀。

霉菌的防范：

①盡量選用不長霉的材料;

②如必須加防霉劑需考慮其它因素。

7）昆蟲、噬齒動物（鼠害）的影響

①啃噬電纜,破壞結構,破壞絕緣.

②墊窩引起短路.

③鼠尿引起腐蝕.

在實際案例中, 由鼠害導致的設備失效比想象的要多。

8）太陽輻射影響

①光老化是對戶外產品中非金屬材料的重要試驗項目, 很多材料（如橡膠、塑料）在戶外會因紫外線、臭氧作用而降解、失效。

②實驗方法大氣暴露試驗：真實、簡單、環(huán)境多樣性、但試驗周期長。人工加速試驗：快速、與大氣暴露試驗有較好的對應關系。

③加速實驗

材料：紫外線 ASTM G53 使用 UVB310nm 4h/60℃；4h/50℃ 共 1000h。臭 氧 ASTM D518 暴露 70 小時。

試樣：

氙 燈 GB 12527—90 1006 h

臭 氧 GB 12527—90 70 h

合格判據：不降解、無龜裂、強度變化±30 %

6 防水設計

早年的防水手機，大多是被動式防水手機。手機多采用加保護塞的方式來防水，由此造成了手機在厚度以及重量上皆不盡人意。最重要的是，隨著時間的推移，手機上的防水塞將逐漸老化，最后導致防水失效，防水性能無法得到保證。

世界上大多數人經常使用的擁有防水防塵技術的手機應該數三星為第一，手機已經達到了ip68的程度， 6為防塵等級，8為防水等級，這些都應用在了三星的s系列和NOTE系列，大大的減少了三星的受損幾率，多人都以為防水防塵僅僅只是防止接觸水和灰塵而已，但事實上絕非僅僅如此，接下來我們就根據三星s49來了解一下這個防水防塵的功能，

S9并不是整個機身封閉的，它擁有至少五六個孔，耳機、充電、卡槽等，而且像很多手機按鍵，例如電源鍵，音量鍵等也都是與手機內部的許多重要元件相連，那么在這種多孔，按鍵又多與元件相連，它是怎么做到防水的？首先，我們需要從按鍵、聽筒、揚聲器、耳機孔、充電孔和sim卡槽6個方面來分別探究一下新高標準的防水機制。

首先來看SIM卡槽，雖然說這個卡槽在手機的整體地位中非常重要。但是它的防水卻十分的簡單，只需要在卡槽邊上墊上一圈防水硅墊就可以了，怎么樣，是不是非常的簡單？而這個卡槽的防水還可以通過其它方法來解決，除了這種在外部添加防水的硅膠墊以外，其它的都需要從它的手機內部出發(fā)，稍微有一點點麻煩。而至于在手機按鍵處防水。也是比較簡單的，我說是一般的，別的品牌的手機，它們往往會采用直接擠壓鍋仔片，但是三星的防水一直都是行業(yè)里的行家，所以說它采取了添加一層防水橡膠膜。簡單又效果更好。

而至于聽筒和揚聲器這一類東西的防水是在揚聲器內部與外部開孔之間存在一層過濾網，以及該網的周邊是由一圈防水硅膠組成，過濾網是為了讓空氣自由流通使聲音足以傳遞，但是又能夠防止外部的水進入內部，聲音不能在真空中傳播的原理，大家應該都清楚，而且自然環(huán)境下的水，往往做不到科研中的水，那樣達成小分子結構，而大多數都是以分子團為基準，因此這個過濾網它的孔徑只要比這個小就可以了，所以說它的直徑介于兩者之間就能夠保證空氣流通而阻止水流進入。但是可不要以為過濾網是萬能的，否則又怎么會加一層防水橡膠圈呢？水壓還是會導致水穿過過濾網？但是萬一水壓過大，水還是可以透過濾網，因此橡膠圈的存在可以防止水進入手機內部。就算是進水了，也只是進入揚聲器里面，并不會給手機造成更大的傷害。

而至于充電孔的防水，則更加簡單了，因為充電孔本身不與手機內部連接，所以說即便進水了也無所謂，需要考慮到設計師，如何讓進水以后水順利排出？畢竟水如果殘留在金屬元件的內部，而且自然界的水雜質很多，很容易腐蝕一些電子部件，到時候充電的地方沒用了，這個手機不也就報廢了嗎？在三星的設計之中，它們采用了特殊的涂料gore Tex,這種涂料可以有效地避免水殘留在手機內部。

最后就是三星防水設計中最難的一點，那就是耳機孔了，畢竟在華為手機mate20系列就無法處理這個問題，它們直接取消了3.5mm的耳機孔，而三星卻成功保留了，首先就是在耳機孔涂上防水的特殊涂料，其次加上了一圈橡膠圈，防止水從縫隙進入。畢竟耳機孔其實也是一個不接觸內部的部分，所以同樣只要防止水滲漏和遺留就可以了。

防水手機發(fā)展史上的幾位“奠基者”

愛立信R250 PRO

早在1999年，愛立信推出了全球首款防水手機——愛立信R250 PRO，該機采用鎂金屬機身設計，縫隙中加入橡膠處理，此外還對諸多細節(jié)做了特殊處理，保證了該機的防水性能，該機成為了后來防水手機的模仿對象。

摩托羅拉Defy

進入智能手機時代，摩托羅拉Defy的成功為智能手機防水帶來了可行性。值得注意的是，厚重刻板的三防手機顯然得不到用戶的“厚愛”，在2012年，索尼移動將防塵防水功能列入到手機設計的重點，從Xperia Acro S開始，到極致輕薄的Xperia Z L36h，再到Xperia Z3+在防水技術上帶來新突破，Xperia Z3+在USB接口采用Capless無蓋裸露的防水技術，防水級別達到IP65/IP68水準。

索尼 Xperia Z3+

索尼對于手機防水技術的執(zhí)著影響了很多手機廠商，在2016年CES上，三星Galaxy S7的發(fā)布，再次把防水功能拉入了旗艦智能手機的行列。

IPXX防護等級概念

防護標準等級

這里的“IP”是國際防護標準等級；簡而言之，IPXX中“XX”兩位數字分別代表防塵和防水等級，其中防塵等級從0～6，防水等級則從0～8。

第一個“X”指的是防止外物和灰塵侵入的等級,用0-6的標數來判斷其防護能力：

防塵能力等級

對于手機設備而言，防塵5級意味著設備已經有了較好的防塵效果，雖不能完全防止灰塵侵入，但灰塵的侵入量不會影響電器的正常運作；6級則是完全防止灰塵侵入，所有接口等部位都密封完全，是與內部元器件完全隔絕。

第二個“X”是指防水等級，是由國際工業(yè)防水等級標準IPX和日本工業(yè)防水標準的JIS等級的統(tǒng)一制定標準，用0-8的標數將將防水能力分為9級：

防水能力等級

簡單來說，對于一些防水性能一般的手機，只要做到6級及以下的防濺水能力，就能夠防止一些生活灑水和雨水入侵到手機內，7級意味著設備在1米以內的水中，可以承受長達30分鐘的浸泡而內部不進水，8級標準則更進一步，可以保證設備在1.5米以下的水中進浸泡30分鐘內安然無恙。

通常采用的手機防水設計

手機防水其實并沒有什么“黑科技”，防水手機普遍采用的方法就是密封膠、橡膠圈、防水膜、納米涂層。通常手機容易進水的部位：手機殼、聽筒、揚聲器、USB接口、實體按鍵等部件。

三星Galaxy S7后蓋/屏幕防水設計

首先，外部防水設計，手機殼/屏幕通常使用了大量的密封膠粘合來有效密封手機，起到防水作用。

三星Galaxy S7聽筒防水設計

其次，聽筒、揚聲器、麥克風使用防塵防水的膜放在手機外殼里面進行防水，防水膜能夠在最大程度保持密閉的情況下加入呈網狀的泄壓孔，可以理解為“透氣不透水”。

三星Galaxy S7采用的橡膠圈防水設計

在耳機接口、USB接口、卡槽、實體按鍵與機身之間的縫隙通常使用橡膠圈來密封，從而達到防水的效果。

接口防水設計（左為防水薄膜防水/右為膠塞防水）

在耳機接口和USB接口的內部處理上，早期的設計通常是在端口處采用防水膠塞來防水，現(xiàn)在隨著技術不斷的進步，端口都采用裸露式的防水設計，內置納米涂層/“防雨薄膜”等。

※注：三星Galaxy S7采用了GORE-TEX（戈爾特斯）的防雨薄膜，其材料本身輕、薄、堅固和耐用，它具有防水、透氣和防風功能；GORE-TEX薄膜材料的防水原理也很簡單，其每平方英寸有90億個極微小細孔的薄膜，盡管這些微孔的體積是水分子的七百倍，但是僅為液態(tài)水滴的兩萬分之一，所以水分子可以以水蒸汽的形式排出，外側水滴卻無法進入。

至于防水主板，手機廠商通常在主板上增加一層防水涂層，讓主板具備實現(xiàn)一定的防水能力的。使用這種防水涂層后，滴到主板上的水會很容易流下來，而不會因為水的表面張力而吸在主板上。

防水功能之前沒有被智能手機廣泛配備的原因？

1、為了節(jié)省成本：

防水設計成本將大大增加

（1）在揚聲器、聽筒、麥克風都增加一層“防水膜”，材料成本可能在20元左右；

（2）屏幕/后殼與中框之間的縫隙，通常采用密封膠來處理，增加成本；

（3）USB接口、耳機接口、實體按鍵與機身之間的縫隙，通常采用橡膠圈來處理，成本再次提升；

（4）如果USB接口、耳機接口內部結構設計將采用防水技術，繼續(xù)增加成本；

（5）機身材質也要考慮防水性能，成本可能還要增加；

（6）防水手機在量產前后，手機必須經過實驗室的質量檢測，費用“不菲”。

成本增加或許是“遏制”手機防水性能普及的一個最重要的因素。

2、制程難度升級

如果手機采用防水設計，手機代工廠將增加工序，生產難度、良品率將會受到影響，一系列的制程需求對于代工廠商來說要求較高，如果訂單量較大，產能可能出現(xiàn)問題。

關于手機“進液標識”

三星手機的“進液標識”

Mate9有兩個防水標簽，如果防水標簽變紅證明手機進水，如果沒變紅表明沒進水一個在手機內部：需要拆開手機，在手機才能看到，靠近USB接口處，另一個可不用拆開手機就能看見，從耳機孔外就能看見，如果變紅表示耳機孔處進水。

7、環(huán)保設計

目前遵循的環(huán)保指令主要是 WEEE Directive (歐盟議會和歐盟理事會關于報廢電子電氣設備指令)和 RoHS (歐盟議會和歐盟理事會關于在電氣電子設備中限制使用某些有害物質指

令)。

從 2006 年 7 月歐盟市場禁用鉛，汞，六價鉻，鎘，多溴聯(lián)苯 (PBB)，和聚溴二苯醚

(PBDE) 等 6 種有毒物質。

整機設計時，還需要注意回收率。回收率增加至設備重量的 75 % 以上。組件、材料和物質再利用和再循環(huán)增加至設備重量的 65%以上。

另外，整機還需要粘貼環(huán)保標志，便于分類收集生產者投放到市場的電子電氣設備。

標識：環(huán)保、分離回收、回收材料、設備分拆、包裝材料等標識。

A 類環(huán)境的防護

A 類防護的重點在于合理的選用材料，局部噴涂，金屬（鍍鋅層）絲印，EMC 材料的接觸腐蝕，運輸、儲存環(huán)境剖面的不可預見性。

1）鋁及鋁合金選用注意如下事項：

①鋁及鋁合金的耐蝕性：純鋁＞防銹鋁＞鍛鋁＞壓鑄鋁＞硬鋁

②硬鋁（合金鋁）通常表面有一層包鋁層（純鋁）保護基體材料，當機加工后，基體裸露，由于銅元素的分部，在貧銅區(qū)會產生凹蝕坑及“白粉”狀腐蝕物。因此，在濕熱環(huán)境下應用硬鋁如 2A12 等的加工件（破壞包鋁層）要非常慎重。

③根據結構特點及功能要求鋁及鋁合金的選用原則是：無承力要求及導電件選用純鋁；有一般承力要求的鈑金件可選用防銹鋁；鋁型材及機加工件例如：屏蔽盒可選用鍛鋁 6061 或 6063；

壓鑄鋁合金應選用 YL102，而盡量不用 ADC12（含銅）。

2）A 類環(huán)境工藝要求 ①電鍍、氧化件要避免深凹、盲孔及積水結構；在前處理時，盲孔內會截留腐蝕性液體而不易清除。應避免夾縫結構，以防儲留腐蝕液。

②組合工序的安排：

帶有螺紋連接、壓合、搭接、鉚接、點焊等組合件，原則上不允許進行電化學處理

（電鍍、陽極化）；

不同類金屬材料的組合件不能在一起進行溶液處理。應盡可能采用涂漆或在電化學處理后進行組合。

③鍍鋅層須考慮的潛在問題：

經鉻酸鹽鈍化處理的鍍鋅層零件，其使用溫度不得超過 71℃ 。這對于有局部噴漆保護的零件不適用，會使裸露的鋅層鈍化膜失效。

④“氫脆”

高強度鋼（抗拉強度超過 1050MPa）在電鍍過程中會出現(xiàn)氫脆現(xiàn)象。彈性零件一般不建議電鍍，由于環(huán)境或特殊要求（導電、耐磨等）必須電鍍時，電鍍前應消除應力，電鍍后進行除氫處理。

電鍍后立即將零件置于 177 ℃~204 ℃下烘烤 5 小時，然后進行鈍化處理。成型、淬火后，零件應在 149 ℃ ~260℃下烘拷 30 分鐘，以消除應力，然后進行清理和鍍覆。

⑤電偶腐蝕，不同金屬的接觸電位差在 A 類環(huán)境應控制在 0.4V。

⑥A 類環(huán)境的設備須考慮到運輸、儲存時所會遇到的 B、C 類環(huán)境剖面

對于軍用電子設備 PCB 需進行敷形保護涂覆。要考慮運輸, 儲存, 維修時可能遇到 B, C 類環(huán)境， 提高可靠性及環(huán)境適應性能力。

⑦在 A 類環(huán)境的防護設計中有以下幾個問題須特別注意：

A.鍍鋅件局部噴涂或絲印后,經高溫烘烤鍍鋅件鈍化膜會失效, 濕熱后產生白粉.

B.EMC 屏蔽材料與所接觸的金屬(鋁或鍍鋅層)都超過了允許的最大電位差(0.4V)；電解板(鍍鋅層)與導電布(鎳鍍層)間的電位差是 0.9V；鋁合金導電氧化與導電布(鎳鍍層)間的電位差是 0.45V~0.6V；鋁合金導電氧化與導電橡膠之間的電位差是 0.6~0.7V。

C.非金屬材料的應用不規(guī)范

自身長霉的材料；選用膠粘劑不當；散發(fā)出有害氣體的材料---如某些橡膠中有”硫”；不符合環(huán)保等法規(guī)要求的有害材料。

D.選擇緊固件、鍍層材料等時環(huán)境適應性控制不當。

B 類環(huán)境的防護

B 類環(huán)境防護由于對環(huán)境剖面的復雜性很難定位，同時又要考慮成本因素，因此是最困難的。所以在軍品防護等級上只分二級（B 類和 C 類合為一級防護）。所有對 A 類環(huán)境的防護要求，在 B 類環(huán)境中都必須滿足，同時還有更高的要求。

B 類環(huán)境防護的重點是正確選用防護材料和工藝。B 類環(huán)境剖面（極端環(huán)境）的特點是長時間的濕熱環(huán)境；濕熱+灰塵；濕熱+灰塵+鹽霧

溫濕度不受控的室內；地下室；戶外簡單遮蔽；一般環(huán)境的戶外設備，都屬于典型的B 類環(huán)境。

由于有室外設備, 結構件分為 “Ⅰ”型結構件和 “Ⅱ”型結構件兩類，除安裝在戶外設備的外表及附件外，其它的大多數零部件屬于“Ⅱ”型結構件。“Ⅰ”型結構件除奧氏體不銹鋼和某些鋁陽極化（如微弧氧化）特殊零件外，所有的金屬件都須采用有機涂層覆蓋。戶外 “Ⅰ” 型面的緊固件, 應采用不銹鋼(奧氏體)材料會更可靠。

戶外設備的涂層，噴粉應采用聚酯系列、不采用環(huán)氧系列；噴漆應采用丙稀酸或丙稀酸/聚氨酯體系、有機氟涂料。

戶外鋼結構件盡量考慮采用熱浸鋅+噴涂有機涂層防護體系如：底座、承力彎角件、埋地部分等極易腐蝕部分。

室內設備主要考慮在長期濕熱環(huán)境下的防銹蝕和灰塵+鹽霧的極端環(huán)境下的防護。

壓鑄鋁件的化學氧化（無色）在濕熱環(huán)境下會腐蝕成“白粉”狀，ADC12 會更嚴重，有可能應在無需導電部分噴漆。

B 類環(huán)境中戶外機柜及模塊的防護注意事項如下

①暴露在Ⅰ型面的所有構件，應避免積水。盡可能消除縫隙，防止水、灰塵和鹽霧的沉積。

②大型機柜密封條的拼接處應在水流的下方，并用室溫硫化硅橡膠粘接、膩平。防止?jié)B水。

③結構上應防止門的應力變形，形成縫隙。

④控制屏蔽材料與金屬材料的接觸腐蝕。

⑤防止機柜內部由于溫差而產生凝露。

⑥小型機箱或模塊的防水密封襯墊，應采用高抗撕硅橡膠模壓成型。不應采用膠條拼接。拼接件經受不住環(huán)境老化而失效。

⑦有屏蔽要求，處于Ⅰ型面的模塊，應選用模壓的雙峰導電襯墊，可避免導電膠條對

鋁模塊的電偶腐蝕。

考慮到 B 類環(huán)境的剖面，PCB 應進行敷形保護涂覆。

B 類環(huán)境整機設計注意事項如下：

①盡量不用預鍍板，如果有局部噴涂（接地或導電）要處理好接觸腐蝕及切口邊的銹蝕問題。

②重視防塵設計：在 B 類環(huán)境的室內設備，良好的防塵設計是保證設備可靠工作的重要條件。防塵網屬易損件，應設計成方便更換，易于清理并有詳細的操作規(guī)程。

③屏蔽材料與金屬接觸腐蝕的規(guī)避，應遵守 0.25V 的規(guī)定.

④材料選用：按規(guī)范選用。未經試驗的或預計有問題的材料，應經試驗后優(yōu)選并制訂規(guī)范再應用。

C 類環(huán)境的防護

C 類環(huán)境存在鹽霧、鹽堿粉塵和有害氣體及酸霧、酸雨燈腐蝕介質。C 類環(huán)境的典型地區(qū)為東南沿海、海島、艦船；沙漠（鹽堿湖）、鹽堿濕地及周邊；化工廠、皮革廠、礦山、冶煉廠、火電廠周邊；海外：東南亞、西亞、中東、印度及加勒比沿海地區(qū)。

這一帶區(qū)域或高溫、高濕、高鹽霧。晝夜溫差大或環(huán)境污染嚴重。處于該區(qū)域的通訊電子設備、安裝結構件、緊固件、天饋系統(tǒng)屬于 C 類環(huán)境“Ⅰ”型面。在該環(huán)境剖面，金屬的腐蝕速度比一般地區(qū)高幾倍~幾十倍。

C 類環(huán)境如果用不銹鋼，需要選用奧氏體材料，如：1Cr18Ni9；1Cr18Ni9Ti；0Cr18Ni9；0Cr17Ni12Mo2，選用無磁性的奧氏體不銹鋼；要求鈍化處理，通過中性鹽霧試驗 48 小時無腐蝕。緊固件須定點供貨，每批次應進行鹽霧試驗檢測。

C 類環(huán)境對于結構件的形式和安裝工藝有如下要求：

①要避免凸出的棱角和尖銳的切邊（應打磨成圓角）再進行防護處理。

②安裝件的折彎半徑應是板厚的 1 倍以上，以避免應力太大而產生應力腐蝕。

③避免縫隙腐蝕；采用連續(xù)焊，在焊接部位須噴二道底漆及二道面漆（盡量減少針孔率）。

④安裝后的涂漆工藝：

a.當Ⅰ型面上有導電連接部位時，應盡可能設計成永久性連接：即在裝配完成后涂覆有機涂層或灌注密封膠。

b. C 類環(huán)境中現(xiàn)場安裝后，須在所有裝配緊固件部位及漆層破損處進行補漆處理。

C 類環(huán)境下，所有Ⅰ型面結構件的金屬外部棱邊應該倒成圓角，以利于獲得適當厚度的涂敷層（電鍍或熱浸鋅層、噴粉層或噴漆層的厚度）。金屬的銳邊上涂層是達不到設計要求的厚度。通常倒圓角半徑在 3.18mm 左右.

C 類環(huán)境如果用非金屬材料，注意事項如下：

①涂料：噴粉選用聚酯料；油漆選用丙稀酸或丙稀酸/聚氨脂。

②密封材料：

橡膠-----硅橡膠、乙丙橡膠、氯丁橡膠。

密封膠-----RTV 硅橡膠。

防水膠帶-----EPR。

③塑料：要求耐候性好、耐紫外線及耐低溫。如：PC、PET、PVC 等。

C 類環(huán)境的防輻射設計注意事項如下：

①暴露在外的所有構件應避免積水,盡可能消除縫隙,防止灰塵,鹽霧沉降。

②Ⅰ型表面原則上不允許有裸露金屬(包括鍍層,不銹鋼除外). 應當用有機涂層覆蓋,涂層應耐紫外線輻射。

③對大容積構件(如:天線箱體,天線罩,高頻箱)應避免氣密性設計, 應有通氣孔或加有防水透氣閥.使腔體內,外壓力平衡.否則腔內會積水。

④對有密封要求的模塊,密封圈應選用高抗撕硅橡膠制成的”O(jiān)”形或”D”形圈.不允許密封圈有接縫, 或采用橡膠板裁剪成襯墊,實踐證明這是不可靠的。

⑤室外型設備的某些構件,可選用復合材料的模壓制品(如 SMC 或玻璃鋼)這類材料具有比強度高和耐腐蝕性及批量生產成本低的特點。

⑥黑色金屬的重防護：采用熱浸鋅、（或噴鋅、噴鋁）工藝，厚度在 50μm~150μm 再噴底漆+二道面漆。用于戶外機架、褂梁埋地構件等。

D 類環(huán)境的防護

D 類空間環(huán)境的特點是上升/再入階段 高沖擊、振動、噪聲；暴露于高真空和高輻射下；入軌后，可當成 “A 類環(huán)境”

D 類環(huán)境的防護需要注意防沖擊、防振動。組裝電路板時，器件應盡量靠近ＰＣＢ板底部。如果允許，涂覆層的厚度增加到１００～２５０微米，使器件底部與基板通過涂層連成一體，可增強設備的抗振能力。某些器件重量大于７克，并靠自身引線支撐，例如電容器等。須用ＲＴＶ硅橡膠進行局部加固。

處于空間環(huán)境的電子設備，均需密封結構。必須對微環(huán)境中有害氣體嚴格控制。

橡膠件須進行二段硫化工藝。ＰＶＣ導線內有各類添加助劑、有低分子物逸出，必須嚴格控制。

硅脂選用ＳＥ－４４９０ＣＶ低分子揮發(fā)物最低。ＲＴＶ硅橡膠應在室溫下放置４８小時后，于 60~６５℃烘 6~８小時。

由于空間環(huán)境輻射強度比地面強，有機高分子材料應選用耐輻射強的材料。聚稀烴材料如ＰＥ、ＰＰ、ＡＢＳ、聚甲醛、聚四氟乙稀等耐輻射性能不良。ＰＣ中等。聚砜、聚酰亞胺耐輻射性能好。

苯撐硅橡膠最好。經定量輻射后，其強度下降２６％、伸長率下降４３％；而其它橡膠強度及伸長率下降在７０％以上。

入軌后, 設備處于穩(wěn)態(tài)環(huán)境, 可看成是 A 類環(huán)境。

三防技術是一項“自上而下”抓的系統(tǒng)工程，要盡量多了解設備的“壽命期環(huán)境剖面”，按規(guī)范設計，要跟蹤已使用的設備“故障”情況，總結經驗；不斷“滾動修訂”完善設計規(guī)范；建立并完善“三防體系”，逐步克服設計上的隨意性。

8 構設計實例——ATCA 平臺結構

ATCA 是 Advanced Telecom Computing Architecture（先進電信計算架構）的縮寫。

ATCA 標準，是一項業(yè)界倡導的標準，旨在為運營級電信解決方案創(chuàng)建一種新型的板卡(刀片式)和機箱外形規(guī)格。ATCA 旨在通過為多種標準交換架構(包括以太網和 PCIExpress)提供支持，滿足下一代通信應用的要求，并為制造商提供滿足苛刻用戶要求的諸多功能。ATCA 提供動態(tài)空間，以實現(xiàn)新一代模塊化、高性能卻經濟適用的電信解決方案。

ATCA 由一系列規(guī)范組成，包括定義了結構、電源、散熱、互聯(lián)與系統(tǒng)管理的核心規(guī)范 PICMG3.0 以及定義了點對點互聯(lián)協(xié)議的 5 個輔助規(guī)范組成，包括：3.1 以太和光纖傳輸；

3.2 InfiniBand 傳輸；3.3 星形傳輸；3.4 PCI-Express 傳輸；3.5 RapidIO 傳輸。本小節(jié)注意介紹結構設計。

ATCA 平臺由機箱、刀片式板卡、背板、電源分配系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)和機箱管理系統(tǒng)組成。

機箱是把整個產品結合成機械整體的主體，需要依靠機箱保證整機的機械結構強度。

ATCA 按型式可以分為直立型機箱與橫向型機箱兩種類型。直立型機箱為標準的 14 槽位，如下如所示。

橫向型機箱因受限于機箱高度，所以視其高度決定槽數的多少。橫向型機箱如下圖所示。

刀片式板卡可以簡單按位置分為前插單板和后插單板。前插單板就是通常說的 ATCA 單板，可以分為業(yè)務單板和交換單板。后插單板就是后端轉換模塊（RTM），為前插單板提供接口擴展。

ATCA 的背板主要分為雙星、雙雙星和全網狀互連三種拓撲結構。

雙星結構在 ATCA 機框內有兩塊交換單板，每塊交換單板與機框內其他的每一塊單板都有一條獨立通道互連

雙雙星結構在機框內有四塊交換單板，每塊交換單板與機框內其他的每一塊單板都有一條獨立通道互連。

全網狀互聯(lián)結構機框內的每塊單板與其他的每一塊單板都有一條獨立的通道互連。不需要中心交換結構，每塊單板都可以做數據轉發(fā)和數據處理。具有很大的靈活性，比較適合機框槽位較少的系統(tǒng)。

ATCA 的背板數據傳輸包括業(yè)務平面（交換接口、更新通道）和控制平面（基本接口、

同步時鐘接口）。背板連接器的數據傳輸接口分布如下：

基本接口（Base Interface）可以理解為 ATCA 架構的管理控制平面總線，一般在系統(tǒng)中用來傳輸控制面信息。支持 10/100/1000 BAST-T 以太網通道

交換單板的 Base Interface 提供以太網通道與其他單板相連，每條通道是以 4 對差分線的形式在背板傳輸。其他單板有兩條通道，分別與兩塊交換單板相連。

交換接口（Fabric Interface）是 ATCA 架構的業(yè)務平面的數據通道，為 ATCA 單板提供高速數據傳輸。Fabric Interface 提供以太網通道以供機框內單板互連。

Fabric Interface 的每個通道（Channel）由 8 對差分線（4 對接收、4 對發(fā)送）構成，每兩對差分線（1 對接收，1 對發(fā)送）構成一個端口（Port）；Fabric Interface 支持 ATCA 架構的多種拓撲結構。Fabric Interface 支持多種傳輸協(xié)議。

更新通路可以理解為相臨兩塊單板之間的專屬內部鏈接通路，提供狀態(tài)信息共享。例如在熱備份系統(tǒng)中提供互鎖信號，如備份板在規(guī)定時間內收不到主系統(tǒng)有效信號，備份板將接管系統(tǒng)。

同步時鐘接口采用冗余總線連接方式，提供 6 對/3 種時鐘信號。

機框管理系統(tǒng)由機框管理控制器（ShMC=Shelf Management Controller），智能平臺管理接 口（ IPMI=Intelligent Platform Management Interface），智 能 平臺管 理控制 器

（IPMC=IPM Controller ）， 智能平 臺管理 總線（ IPMB=IPM Bus）， 現(xiàn)場置 換單元

（FRU=Field Replaceable Units）和 I2C 總線（Inter-Integrated Circuit）組成。

ATCA 機框管理系統(tǒng)由兩個獨立互為熱備份的 ShMC 和位于各個業(yè)務板卡上的 IPMC 組

成。ShMC 是系統(tǒng)管理模塊，完成機框設備管理、傳感器/事件管理、風扇框/電源框管理、用戶管理、IPMI 協(xié)議處理、遠程維護等功能。

IPMC 位于 ATCA 架構的單板和其他機框組件上，完成其上各種關鍵硬件資源的監(jiān)視、控制及管理，如熱插拔處理、電源管理、風扇管理等。

IPMB 總線是整個 ATCA 系統(tǒng)的系統(tǒng)管理總線，由兩條 I2C 總線組成，通過背板連接器

連接 ShMC 與各單板、配電框、風扇框的 IPMC，完成監(jiān)控命令的下發(fā)和告警信息的上報。

IPMB 總線提供雙總線或雙星型配置，以冗余架構保證系統(tǒng)可靠性。

ATCA 電源主要是為了滿足電信級應用對大功率的需求；單板最大功率可達 200W 以上，供電方式：-48V 電源直接引入單板，在電源供給上采用雙冗余電源以防止電源供給異常引發(fā)單點故障。

機箱散熱系統(tǒng)可以分為 3 種設計方式：

①具有前方進氣風扇與后方排氣風扇的組合散熱系統(tǒng)

②只有前方進氣風扇的散熱系統(tǒng)

③只有后方排氣風扇的散熱系統(tǒng). 。

理論上，第 1 種方式為最理想，一般適用于 12U 以上的機箱。受高度與風扇風量影響第 2 種與第 3 種方式一般適用于 12U 以下的機箱，每種方式各有其優(yōu)缺點。

從前方風扇進氣方式優(yōu)點如下：

①風扇在正面維修方便；

②系統(tǒng)內為正壓，故灰塵不易進入；

③風扇位于進氣處，溫度相對較低于排氣處，風扇壽命較長；

④系統(tǒng)內若著火，前方進氣風扇依然能維持正常功能；

相對的，后方風扇排氣方式有散熱效率較佳和每一槽的風流量較均勻的優(yōu)點。

在總體方案有些大版本，需要重新定義機箱，產品機箱定義就在總體設計階段，這時總體設計的工作是繁重而高級的。定義機箱工作量大，而且需要考慮產品的迭代升級，產品持續(xù)的競爭力，需要設計者具備全流程視野和戰(zhàn)略能力以及技術深度和廣度，對技術演進的預判能力。因為工作量大，所以繁重；因為對工作能力要求高，所以高級。定義機箱，首先要做的第一件事情就是定規(guī)格，這個規(guī)格包含：業(yè)務規(guī)格、整框規(guī)格、單板規(guī)格。

①業(yè)務規(guī)格，這個需要滿足客戶期望、有市場競爭力、最合理的顆粒度。我記得大學同學剛畢業(yè)的時候去烽火通信，去南美市場，銷售光通信，當年號稱密集光波分復用（DWDM），一根光纖傳輸 1T 帶寬信號，全光通信，遠距離傳輸。結果同學到了厄瓜多爾，一個國家都用不了一根光纖，在那里主要賣“貓”（調試解調器）。

所以業(yè)務規(guī)格很重要，并不是越大越好。我們當年我們做企業(yè)網，一開始沒有設計專

門的設備，認為用運營商設備借用到企業(yè)網，實現(xiàn)歸一化。用運營商架構做企業(yè)通信設備，除了幾個大銀行能接受這么大規(guī)格的設備，小公司都沒有這樣的硬件規(guī)格需求。并且由于運營商的軟件結構，在企業(yè)網也顯得臃腫。

②整個機箱的規(guī)格，包括的電源、功耗、散熱、可靠性的規(guī)格，要保證整款滿足環(huán)境應用要求。

當業(yè)務確定之后，需要根據整機的使用場景，確定整機的電源輸入的特性，整體功耗的需求，以及散熱條件。電源需要考慮一次電源轉換為二次電源的能力。散熱需要考慮風道是否合理，不同槽位的單板散熱的差異，風扇失效模型等等。整機風道如圖所示。