摘 要：為了提高空間電子設(shè)備可靠性和可測試性設(shè)計的工作質(zhì)量，采取在印制電路板生產(chǎn)前對其進行可靠性和可測試性設(shè)計檢查的方法，可以提前在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)可靠性和可測試性設(shè)計的不足，有針對性的加以改進，就能進一步提高產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性。列舉了印制電路板可靠性可測試性設(shè)計檢查要點，具有實際工程應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：空間電子設(shè)備； 電路板； 可靠性設(shè)計； 可測試性設(shè)計； 檢查

中圖分類號：

TN21-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)19

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Reliability and Testability Design Check for Circuit Board of Space Electronic Equipment

QU Li-xin

(Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， Chinese Academy of Sciences， Changchun 130033， China)

Abstract： In order to improve the quality of reliability and testability design for space electronic equipment， the method of reliability and testability design check before printed circuit board manufacture is proposed. Thus， the disadvantages of reliability and testability in the process of research and development can be found as soon as possible for which the design can be changed properly to improve the quality and reliability of products. The key points of design check of reliability and testability for printed circuit board are listed. These points are valuable for engineering application.

Keywords： space electronic equipment; printed circuit board; reliability design; testability design; check

收稿日期：2011-04-02

基金項目：國家自然科學(xué)基金支持(61036015)

0 引 言

空間環(huán)境是除陸地、海洋和大氣以外人類生存的第四個環(huán)境?？臻g環(huán)境中所說的空間通常指地面上幾十千米高度以上的廣大宇宙區(qū)域。主要的空間環(huán)境要素有：中性大氣、電離層等離子體、地球基本磁場、高能帶電粒子(太陽宇宙線、地球輻射帶、銀河宇宙線)和空間碎片、流星體等［1］。

空間電子設(shè)備經(jīng)歷的環(huán)境非常復(fù)雜，包括氣動力、振動、噪聲、加速度、沖擊、微流星、真空、冷黑、太陽輻射、磁場、原子氧、等離子體、質(zhì)子、電子等。在設(shè)備研制過程中，對這些因素完全考慮是不可能的也是沒有必要的，但空間電子設(shè)備作為飛行器的有效載荷，上述環(huán)境因素對其高可靠的完成工作任務(wù)產(chǎn)生巨大影響［1］。

空間電子設(shè)備的可靠性設(shè)計包括：熱設(shè)計、電磁兼容設(shè)計、抗輻射環(huán)境設(shè)計、抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計、靜電放電控制設(shè)計、元器件降額設(shè)計等6個方面。

空間電子設(shè)備以印制電路板(PCB)為主要裝配方式，而印制電路板設(shè)計是電路原理圖變成電子產(chǎn)品的關(guān)鍵設(shè)計工序，其可靠性可測試性設(shè)計與產(chǎn)品質(zhì)量緊密相關(guān)。對于從事空間電子設(shè)備設(shè)計的工程人員來說，印制電路板設(shè)計的可靠性和可測試性是印制線路板設(shè)計的重要內(nèi)容。事實證明，即使電路原理圖設(shè)計正確，但印制電路板設(shè)計不合理，會對電子設(shè)備的質(zhì)量與可靠性產(chǎn)生巨大的不利影響［2-5］。

1 電路板(PCB)可靠性設(shè)計檢查

1.1 PCB熱設(shè)計檢查

電子器件熱設(shè)計的目的是確保元器件工作在允許的溫度范圍內(nèi)，確保元器件的結(jié)溫低于降額設(shè)計后允許的最高結(jié)溫，以提高元器件的可靠性。

由于空間設(shè)備工作在真空狀態(tài)，沒有空氣對流的傳導(dǎo)散熱路徑，只有金屬傳導(dǎo)和輻射散熱方式，所以將元器件產(chǎn)生的熱量導(dǎo)入到與電路板緊密相連的金屬殼體上，通過散熱良好的殼體(金屬框架)，增加散熱表面積降低器件的工作溫度。PCB熱設(shè)計檢查要點如下：

(1) 根據(jù)電子學(xué)設(shè)計的邊界條件(空間真空環(huán)境)，對重點發(fā)熱元器件在印制電路板的位置和發(fā)熱等情況，建立數(shù)學(xué)模型，進行EDA仿真熱分析，計算元器件、印制板的溫度，檢驗元器件工作溫度范圍是否滿足要求，檢驗元器件的結(jié)溫是否滿足降額要求；

(2) 發(fā)熱量大的元器件通過熱管等散熱器件將熱量引出，元器件的散熱途徑(導(dǎo)熱散熱途徑和輻射散熱途徑)是否通暢和連貫，同時，應(yīng)盡可能使導(dǎo)熱路徑最短；

(3) 對于熱功耗大的元器件，應(yīng)在器件下面與電路板接地部分設(shè)計熱過孔，填充金屬材料，實現(xiàn)熱傳導(dǎo)功能；

(4) 應(yīng)選擇導(dǎo)熱性能良好、熱穩(wěn)定性好、耐溫范圍寬的印制電路板。

1.2 PCB電磁兼容設(shè)計檢查

電磁兼容性是指電子設(shè)備在各種電磁環(huán)境中仍能夠協(xié)調(diào)、有效地進行工作的能力。電磁兼容性設(shè)計的目的是使電子設(shè)備既能抑制各種外來的干擾，使電子設(shè)備在特定的電磁環(huán)境中能夠正常工作，同時又能減少電子設(shè)備本身對其他電子設(shè)備的電磁干擾。印制電路板的電磁兼容設(shè)計是電子設(shè)備電磁兼容設(shè)計的基礎(chǔ)，為提高空間電子設(shè)備的電磁兼容能力，應(yīng)盡量設(shè)計多層印制電路板［2，6-8］。PCB電磁兼容設(shè)計檢查要點如下：

(1) 電路板上既有高速邏輯電路、又有線性電路，應(yīng)使它們盡量分開，而兩者的地線不能相混，分別與電源端地線相連，要盡量加大線性電路的接地面積；低頻電路的地應(yīng)盡量采用單點并聯(lián)接地，實際布線有困難時可部分串聯(lián)后再并聯(lián)接地；高頻電路宜采用多點串聯(lián)接地，地線應(yīng)短而租。高頻元件周圍盡量鋪設(shè)柵格狀大面積地箔；

(2) 高低壓電路之間要進行隔離。在許多印制電路板上同時有高壓電路和低壓電路，高壓電路部分的元器件與低壓部分的元器件要分隔開放置。為避免高壓放電，在印制電路板上的高低壓電路之間還需開槽進行隔離；

(3) 要把模擬信號部分、高速數(shù)字電路部分、噪聲源部分合理地分開，使相互間的信號耦合為最??；

(4) 時鐘、振蕩器等高電平電路應(yīng)與低電平、高敏感電路隔離；

(5) 印制電路板時鐘導(dǎo)線、差分對導(dǎo)線、視頻導(dǎo)線、音頻導(dǎo)線、復(fù)位導(dǎo)線等易產(chǎn)生串?dāng)_和耦合的信號線的寬度和間距，應(yīng)符合3 W原則，即導(dǎo)線間距離間隔(導(dǎo)線中心間的距離)必須是單一導(dǎo)線寬度的3倍。一般情況下最小導(dǎo)線寬度應(yīng)不小于0.15 mm，導(dǎo)線間距應(yīng)不小于0.20 mm，有條件的情況下盡量放寬［9-11］；

(6) 在印制電路板的各個關(guān)鍵部位配置適當(dāng)?shù)耐伺弘娙荩弘娫摧斎硕丝缃?0~100 μF的電解電容器；

每個集成電路芯片都應(yīng)布置一個0.01 pF的瓷片電容，如遇印制板空間不夠，可每4～8個芯片布置一個1～10 pF的鉭電容；

對于抗噪能力弱、關(guān)斷時電源變化大的器件，如RAM，ROM存儲器件，應(yīng)在芯片電源線和地線之間直接接入退藕電容；電容引線不能太長，尤其是高頻旁路電容不能有引線。

(7) 對電磁敏感和易發(fā)射電磁信號的元器件，要設(shè)計屏蔽罩，屏蔽罩應(yīng)可靠接地。

1.3 PCB環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計檢查

為了適應(yīng)航天火箭發(fā)射(變軌、火工品爆炸沖擊等)飛行中的氣動力激勵、發(fā)動機的振動激勵等隨機振動激勵的影響，而提出對空間電子設(shè)備的振動、沖擊等環(huán)境適應(yīng)性要求。電子設(shè)備在振動和沖擊環(huán)境下，由于振動的疲勞效應(yīng)及共振現(xiàn)象，可能出現(xiàn)電性能下降、零部件失效、疲勞損傷甚至損壞的現(xiàn)象。提高裝備印制電路板抗振動沖擊能力，是保證產(chǎn)品性能和可靠性的重要手段。

PCB抗環(huán)境設(shè)計檢查要點如下：

(1) 對質(zhì)量大的元器件或散熱片或?qū)峁艿群陀邪尾辶Φ慕硬寮?，?yīng)設(shè)置元器件支撐孔，以便采取局部或整體加固措施；

(2) 印制電路板加金屬框架；

(3) 印制電路板元器件采用硅膠等固封措施；

(4) 印制電路板箱采取減振措施；

(5) 為防止空間高能粒子對COMS電路的干擾，檢查采取抗閂鎖措施情況和采用屏蔽材料進行防護情況。

1.4 PCB防靜電設(shè)計檢查

設(shè)計空間電子設(shè)備時，設(shè)計人員要了解所用電子元器件的靜電放電(ESD)敏感度的情況，然后進行靜電防護設(shè)計。在設(shè)計文件和圖樣中要明確標明器件的靜電放電敏感度級別要求和對電裝過程中的靜電防護要求。

PCB抗靜電設(shè)計檢查要點如下：

(1) 為提高靜電放電的損傷閾值，在MOS器件的輸入端，應(yīng)設(shè)置RC網(wǎng)絡(luò)；

(2) 安裝在印制電路板上的靜電敏感器件的引出端，應(yīng)設(shè)置串聯(lián)電阻等保護裝置，切不應(yīng)與印制板連接器直接相連；

(3) 靜電敏感器件管腳的設(shè)計，應(yīng)便于電裝人員焊接；

(4) 集成電路未使用的管腳是如何處理的，有懸空的嗎，要確保每一個管腳(通過軟件或硬件設(shè)置)都有一個確認的確定邏輯狀態(tài)。

1.5 PCB電裝可生產(chǎn)性檢查

電路板設(shè)計必須考慮其可制造性，對空間電子設(shè)備印制電路板來說，由于單機數(shù)量有限，幾乎都是電裝人員手工焊接完成，因而設(shè)計人員要了解電裝工藝和電裝生產(chǎn)過程，這樣才能更好地提高印制電路板電裝過程的可靠性。

電裝可生產(chǎn)性檢查要點如下：

(1) 元器件布局是否合理，元器件之間應(yīng)留有足夠的距離，以便于電裝焊接和維修更換器件；

(2) 元器件距離印制電路板的邊緣至少3 mm，以便于傳送；

(3) 印制板焊盤尺寸應(yīng)與元器件的封裝嚴格對應(yīng)，避免器件管腳與焊盤不匹配的情況；

(4) 有部分印制板器件封裝焊盤引腳對手工焊接來說，稍短，應(yīng)適當(dāng)加長；

(5) 有極性的元器件應(yīng)在印制板上清楚標明極性；

(6) 對于BGA等球柵陣列封裝的超大規(guī)模集成電路，只能采用設(shè)備進行焊接。

1.6 PCB的性能等級檢查

按GJB 4057-2000要求，印制電路板性能等級應(yīng)選用3級，3級印制電路板組裝后有完整的功能，長的工作壽命，連續(xù)工作和高的可靠性，在使用中不允許發(fā)生任何故障［2］。

1.7 PCB標識檢查

空間設(shè)備印制電路板上應(yīng)有惟一、清晰的標識；主備板標識應(yīng)不同。

對于引腳較多、引腳間距小的單個元器件，應(yīng)設(shè)置局部基準標志，放置在元器件對角線對稱方向的位置上。

2 電路板(PCB)可測試性設(shè)計檢查

可測試性就是指測試人員用盡可能簡單的方法來檢測某個器件或部件是否正常工作的特性。在設(shè)計電路板時就考慮可測試性，可以大大降低測試的難度，并極大的提高測試效率?？臻g電子設(shè)備由于在軌工作后的不可維修性，需要更加重視設(shè)計及聯(lián)調(diào)階段的可測試工作［2，11-12］。

PCB可測試性設(shè)計檢查要點如下：

(1) PCB上至少要有2個或2個以上的定位孔，以便于電路板定位；定位孔的直徑在3～5 mm之間，定位孔在電路板上位置不能對稱；

(2) 對于PCB上電源和地的測試點，要求每根測試針最大可以承受2 A的電流；每增加2 A的電流，就需要對電源和地多提供一個測試點；

(3) 一般要求每5個集成電路芯片提供1個地線測試點，這樣可以很好地監(jiān)測相應(yīng)電路的工作狀態(tài)；

(4) 測試點的形狀、大小應(yīng)符合規(guī)范，建議選擇方形焊盤或圓形焊盤，方形焊盤尺寸不小于1 mm×1 mm，圓形焊盤尺寸以Ф2.0 mm為標準；

(5) 測試點應(yīng)標注清楚；

(6) 不能將元器件的焊盤或元器件的管腳作為測試點；

(7) 兩個測試點間距應(yīng)大于2.54 mm，測試點與元器件的間距應(yīng)大于2.54 mm，測試點與定位孔的距離應(yīng)大于0.5 mm，測試點到PCB邊緣的距離應(yīng)大于3.157 mm。

(8) 低壓測試點和高壓測試點的間距應(yīng)符合安全

規(guī)范要求，以避免危險發(fā)生；

(9) 測試點的密度不能大于4～5個/mm2，要均勻分布；

(10) 測試點應(yīng)有保護，對地短路應(yīng)不會引起損壞；

(11) 根據(jù)具體電路情況，為便于測試，可將測試點引到電連接器或電纜上進行測試；

(12) 測試點不能被其他焊盤或膠等覆蓋，這樣可保證測試探針的可靠接觸。

3 結(jié) 語

我國是一個發(fā)展中的大國，面臨極為復(fù)雜的國際環(huán)境，發(fā)展航天產(chǎn)業(yè)具有重大意義。航天產(chǎn)品對質(zhì)量與可靠性要求極高，空間電子設(shè)備是航天工程必不可少的裝備，其可靠性設(shè)計尤為重要。印制電路板設(shè)計是電路原理圖變成電子產(chǎn)品的關(guān)鍵，是各種大規(guī)模電子元器件的載體，是電氣互聯(lián)的基礎(chǔ)，沒有印制電路板的高可靠性設(shè)計，再先進的電路設(shè)計也無法實現(xiàn)其戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標。對空間電子設(shè)備印制電路板進行可靠性和可測試性檢查，可以在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)可靠性設(shè)計的不足，提前發(fā)現(xiàn)問題，針對不足加以改進，能有效地提高航天產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性［1，3］。

參 考 文 獻

［1］譚維熾，胡金剛.航天器系統(tǒng)工程［M］.北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2009.

［2］總裝備部.GJB 4057-2000軍用電子設(shè)備印制電路板設(shè)計要求［S］.北京：總裝備部，2001.

［3］曲利新.星載電子設(shè)備PCB設(shè)計的可靠性檢查\\.電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2010(28):39-41.

［4］WILLIAMS Tim.產(chǎn)品設(shè)計中的EMC技術(shù)［M］．李迪，譯．北京：電子工業(yè)出版社，2004．

［5］MONTROSE Mark I.電磁兼容和印刷電路板:理論、設(shè)計和布線［M］.劉元安，譯.北京：人民郵電出版社，2004.

［6］王丹，閆利超.高速DSP系統(tǒng)的電路板級電磁兼容性設(shè)計［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33(14):1-3.

［7］白敏丹.電子線路的電磁兼容性分析［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32(14):191-194.

［8］張燕燕.高速DSP的電磁兼容設(shè)計研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31(18):174-177.

［9］中國航天工業(yè)總公司.QJ3103-99印制電路板設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國航天工業(yè)總公司，1999.

［10］中國航天工業(yè)總公司.QJ831A-98航天用多層印制電路板設(shè)計通用規(guī)范［S］.北京：中國航天工業(yè)總公司，1999.

［11］姜雪松.印制電路板設(shè)計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［12］國防科學(xué)技術(shù)委員會.QJ2172A-2005衛(wèi)星可靠性設(shè)計指南［S］.北京：國防科學(xué)技術(shù)委員會，2005.