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电子结构的三防设计

2019-06-27 14:59:00
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摘要:电子结构在各种自然环境因素的综合影响下,面临着诸多失效形式,因此只有在设计阶段就注入环境防护理念,优选材料,优化结构再结合一定的工艺防护措施才能极大的提高电子产品对环境的适应性和产品使用的可靠性。


环境因素是军用电子产品在使用、运输和存储中号虑的重要因素,而且环境因素也影响着电子设备的稳定性和可靠性。军用电子产品因环境防护不当造成的损失也是相当惊人,美军曾经对机载电子设备的故障进行统计,发现50%以上的故障与环境因素有关,所以提高军用电子产品的环境适应能力才有极大的经济效益和军事效益。


    三防技术从理论研究到工程应用近年来的发展,应用领域不断扩大,从早期单一的工艺防护发展到现在的总体设计、电路设计、结构设计、标准化系统工程,三防技术的内涵发生了很大变化,现在的三防是以提高产品的环境适应性为目标,内容包括防水、防潮、防结露、防盐雾、防霉、防腐蚀、防老化、防振、防静电、防高压击穿、防污染、防风沙、防积雪、防裹冰、防鼠害等等。

1.电子结构三防的技术措施
    三防技术是一个综合性概念,涉及到诸多方面的应用。要提高电子产品三防能力,必须从产品的设计开始就注入三防设计理念。三防设计理念的注入,可以保证产品从整机到分机,再到零部件都具有适应环境变化的能力。三防处理工艺可以保障和补充设计中三防的不足,提升产品抵抗环境变化的能力,从而极大的提高电子产品的可靠性。以下就从材料、结构、工艺三方面进行阐述,并将三防理念注入其中。
1.1 材料防护
    材料防护主要是指正确、合理地选取材料,并通过对材料(包括金属材料和非金属材料)辅以一定的工艺处理措施,以进一步提高材料的耐环境变化能力。根据电子产品的实际使用环境分类及三防等级要求,选择适当的材料来制造零部件。选取材料是三防设计的第一步,也是关键的一步。
    恶劣环境中工作的电子产品,面临着盐雾、锈蚀、霉菌、老化等各种环境问题,为了使电子产品能够适应各种恶劣环境,应尽量选用耐腐蚀性好的金属材料和不长霉菌、耐老化的非金属材料。耐腐蚀性好的金属材料主要有,铝合金、奥氏体型不锈钢、钛合金、金、镍等,考虑到经济因素,通常选用铝合金、不锈钢、钛合金等再涂覆金属层或非金属层。

    选用材料时,应了解材料的相容性问题,掌握材料的腐蚀机理、破坏肜式等。以保证结构设计时能避免某些危险性大的腐蚀形式,防止不同材料彼此相互作用、相互影响而引起腐蚀、老化等。因而根据材料的相容性合理地选择镀层以及不同类型金属的合理选用是极为重要的。两种材料的电位差越大腐蚀越严重。设计中,在同一种结构中尽量选用同一种金属材料,或者应选用电极电位相近的材料,而且两种材料的电位差应小于0.25 V,否则在结构上要采取相应的防护措施,如表1中列出了常见可以相容(接触)的一般材料


 当下,军用电子产品正朝着轻小型机动方向发展,产品中许多零部件都将采用工程塑料制成,再要注意材料的霉菌和老化问题。选用环境适应性较好的工程塑料,如聚碳酸酯、ABS、有机玻璃等。

1.2 结构防护
    结构防护与材料防护同样重要,在现实环境中,大多数的问题都能通过适当的结构设计(结构防护)来避免。设计中,对局部部件或整机采取密封或半密封措施,将设备(或部件)与外界环境相隔离。各种箱体全部用铝合金焊成一整体,机箱侧板与箱体的连接处均加有导电橡胶制成的密封圈,机箱的外表面防护涂覆。为了避免由于机械应力、热应力、积水或杂质等引起的腐蚀,在结构设计中还应采取以下措施:
    (1)避免积水结构。产品的外型恰当地倾斜,尽量减少孔、槽等,在可能积水和留存湿气的空间开设排水和排气孔,并避免凹凸不平的表面等。
    (2)湿度较大的气候环境下,尽量避免采用点焊、铆接、螺纹紧固等结构形式,优先选用板金结构或整体浇铸机箱的结构形式,以避免形成缝隙腐蚀,同时在能形成缝隙腐蚀处加以密封处理或加密封衬垫。
    (3)同一种结构中,如使用了不同类型的金属,则应在其中一种金属上镀涂上允许与第二种金属相接触的金属镀层,或两种金属材料均镀上同一种金属镀层,或在两种金属之间涂绝缘保护层或放置衬垫,此时应兼顾设备的电磁兼容性要求。
    (4)在有可能产生应力腐蚀裂开的情况下,应注意避免引起应力集中的结构形式,并采取适当的工艺措施消除内应力。
    (5)最容易发生腐蚀和最大腐蚀部位加厚构件尺寸,通常称为“腐蚀裕度”,一般取预期寿命所需量的两倍。对于易受腐蚀损坏而必须经常维护和更换的零件,应从结构上保证易于维修、更换。
1.3 工艺防护
    除了从材料防护和结构防护两方面采取措施外.还应采取工艺防护措施,以进一步提高产品的三防能力。工艺防护我们通常采用的方法是表面化学覆盖层及金属和非金属覆盖层。按产品工作时所处的环境,我们将结构件分为I型结构件和Ⅱ型结构件两大类。I型结构件表面在产品处于工作或行径状态时,其表面直接暴露在自然环境中或受自然环境冈素直接作用。Ⅱ型结构件表面存产品处于工作或行径状态时,其表面不直接暴露在自然环境中。对于两种不同类型的构件表面应采取不同的工艺防护措施。
    (1)化学覆盖层
    用电化学或化学的方法使结构件表面生产某种化合物而形成覆盖层,以达到抗环境因素影响的目的。常用的方法有氧化、钝化、磷化、阳极氧化等。化学覆盖层对I型和Ⅱ型表面都适用。
    有色金属及其合金通常采取化学氧化或阳极氧化处理来达到防护的目的。阳极氧化膜具有多孔性和绝缘性,有较强的吸附能力,可作为油漆的底层,涂漆后,可大大提高其耐腐蚀性。化学氧化膜除了具有较强的耐腐蚀性和吸附能力外,还能导电,所以经常用于需要释放静电器件的表面处理。黑色金属通常采用氧化和磷化处理。
    (2)金属和非金属覆盖层
    金属覆盖层主要是通过电镀、化学镀、热浸镀、热喷镀等方法获得。就是在耐环境能力差的结构件表面覆盖一层耐环境能力较强的金属涂层,以提高整个构件的三防能力。金属覆盖层对I型和Ⅱ型表面都适用。常用的金属镀层有锌、镍、铜、铬、金等。选择镀层时,应根据产品所要使用的环境要求,同时兼顾基体材料的特性以及材料的相容性要求。
    非金属覆盖层有油漆涂覆层和塑料涂覆层。油漆涂覆层在非金属覆盖层中应用的最为普遍,它具有一定的流动性,能够在物体表面形成一层连续薄膜,因而具有较好的防护作用。塑料涂覆层是采用环氧和聚乙烯等耐环境性能优良的树脂涂覆于被保护物表面。非金属覆盖层通常针对I型表面。
    三防漆的种类很多,性能各异,漆种的选用应根据油漆的性能、适用范围以及产品的外形要求和实际使用环境而定。对于产品表面通常采用丙烯酸漆和聚氨脂漆,这两种漆色择优、保光、保色性、耐水、耐磨性好,具有突出的抗大气腐蚀性和三防性能,且耐热性较高,附着力强。


2.结束语
    电子结构的环境防护技术涉及到许多方面的专业知识、技术。根据防护的总要求及产品的实际使用环境,采用先进的设计思想、可靠的材料、优化结构、表面处理、密封干燥等措施对整机及零部件、元器件进行环境防护设计,从而提高整个产品的环境适应性和使用可靠性。



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