孫 濤，李海波

(西安愛科賽博電氣股份有限公司,陜西 西安 710119)

0 引 言

隨著戶外電子設(shè)備應(yīng)用場景的不斷拓展，會遭遇到氣候條件、地域因素、溫濕度變化、機械沖擊、電磁干擾(EMI)等多樣性應(yīng)用環(huán)境的挑戰(zhàn)，存在著導(dǎo)致設(shè)備功能下降或失效的風險。為保障設(shè)備在產(chǎn)品生命周期內(nèi)就上述可能遇到的各種環(huán)境作用下能實現(xiàn)其所有預(yù)定功能和性能不被破壞，產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計已經(jīng)成為考量電子設(shè)備功能的一項重要指標。

而就環(huán)境適應(yīng)性所涉及的鹽霧、潮濕霉菌、振動沖擊、散熱、EMI等問題的應(yīng)對方案在設(shè)計論證層次而言，從環(huán)境控制、環(huán)境隔離到加固設(shè)計、布局優(yōu)化等環(huán)節(jié)，都受制于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的協(xié)同實現(xiàn)，其設(shè)計方案和結(jié)構(gòu)方案也往往深度耦合且強相關(guān)。產(chǎn)品適應(yīng)性設(shè)計的盲區(qū)往往出現(xiàn)在多個學(xué)科業(yè)務(wù)領(lǐng)域邊界缺乏關(guān)注的外延部分，這也是產(chǎn)品適應(yīng)性設(shè)計的痛點。設(shè)計活動中出現(xiàn)的問題，往往越是在早期解決越能有利于產(chǎn)品的實現(xiàn)。所以在產(chǎn)品方案初期，就應(yīng)用環(huán)境對設(shè)備影響和危害進行分析，重視結(jié)構(gòu)方案設(shè)計與各業(yè)務(wù)領(lǐng)域的相關(guān)性，以之為切入點，對業(yè)務(wù)盲區(qū)進行梳理，對后續(xù)產(chǎn)品的適應(yīng)性設(shè)計能夠起到提綱挈領(lǐng)的作用。

1 設(shè)備應(yīng)用環(huán)境的分類及影響

依照電子設(shè)備使用環(huán)境的不同，環(huán)境因素可以分為受控與非受控環(huán)境、地域環(huán)境、力學(xué)環(huán)境和電磁環(huán)境。這些應(yīng)用環(huán)境對電子設(shè)備的影響如下：

1.1 受控與非受控環(huán)境

依照對電子設(shè)備的影響,自然環(huán)境可分為受控環(huán)境和非受控環(huán)境。受控環(huán)境也稱為A類環(huán)境，指設(shè)備工作在溫度受控的室內(nèi)或者有人居住的房間，空氣相對濕度可控制在65%以下的環(huán)境。而非受控環(huán)境又分為B類環(huán)境、C類環(huán)境和D類環(huán)境。B類環(huán)境指設(shè)備工作在一般室外環(huán)境，有簡單遮蓋，濕度偶然會達到100%，溫度不受控，但沒有高鹽分空氣或污染物影響的環(huán)境。C類環(huán)境，指設(shè)備暴露在陸地上，距地面2～3 km，有冶煉、煤礦、熱電、化工等污染源，或離海洋0.5～3.7 km的高鹽分的陸地環(huán)境。D類環(huán)境，指設(shè)備距離海岸線500 m內(nèi)，暴露在海上或海岸邊大氣中，受到風吹日曬雨淋的室外環(huán)境。

在非受控環(huán)境下，設(shè)備影響在于潮濕、鹽霧、霉菌引起的化學(xué)腐蝕、電偶腐蝕和有機腐蝕，導(dǎo)致的設(shè)備結(jié)構(gòu)電氣理化性能損傷。以電偶腐蝕為例，設(shè)備工作時，由于溫濕度變化，內(nèi)部產(chǎn)生凝露，積聚后吸附含外界鹽分、金屬離子粉塵成為帶電解離子的腐蝕溶液；當設(shè)備不同器件金屬表面間存在電位差，并在該處發(fā)生凝露匯集時，帶電解離子的腐蝕溶液在金屬間搭接產(chǎn)生回路，形成電偶腐蝕。短時間內(nèi)即可造成鈑金結(jié)構(gòu)、器件的快速銹蝕、短路、失效。

潮濕環(huán)境下霉菌的危害在于其能夠?qū)﹄姎獾慕^緣材料進行直接或間接的侵蝕，霉菌能分解材料，并作為自己的養(yǎng)分，這會導(dǎo)致導(dǎo)致設(shè)備材料的劣化，如聚氯乙烯制品、聚氨酯(某些聚酯和聚醚)、有機填充材料的塑料。這種直接或間接的侵蝕還會導(dǎo)致電子和電氣系統(tǒng)的損害，在絕緣材料上形成不希望有的導(dǎo)電通路，并對精密調(diào)節(jié)電路的電特性發(fā)生影響。

1.2 地域環(huán)境

地域環(huán)境對電子設(shè)備的影響主要體現(xiàn)在海拔因素。海拔高度上升會導(dǎo)致大氣壓和空氣密度下降，引起電子設(shè)備的風機、空調(diào)散熱和冷卻性能衰減。氣壓降低又導(dǎo)致以空氣為絕緣介質(zhì)的設(shè)備絕緣性能下降，為消除放電，使產(chǎn)品符合安規(guī)要求，必然就設(shè)備電氣間隙距離進行調(diào)整，從而導(dǎo)致電氣安規(guī)距離提高。影響分別如圖1所示。

圖1 海拔高度對電子設(shè)備散熱和安規(guī)設(shè)計的影響

其次為伴隨高海拔太陽輻射熱效應(yīng)，與高溫產(chǎn)生熱效應(yīng)機理不同，太陽輻射熱效應(yīng)具有方向性的熱梯度，當設(shè)備各類器件材料和部件以不同的速率和膨脹或收縮，會產(chǎn)生嚴重的應(yīng)力并破壞器件結(jié)構(gòu)完整性。太陽輻射的紫外線部分還會產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致織物、塑料變色，涂層開裂、變色、粉化，天然橡膠、合成橡膠等聚合物的劣化。

1.3 力學(xué)環(huán)境

當設(shè)備為車載、艦載、機載環(huán)境，或在運輸、裝卸條件下都會存在沖擊和振動。沖擊會直接對設(shè)備結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生影響，沖擊的響應(yīng)分量由施加在設(shè)備上外部激勵環(huán)境的強迫響應(yīng)分量和隨后的設(shè)備固有頻率響應(yīng)分量組成。沖擊易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件過應(yīng)力，產(chǎn)生永久變形，加速疲勞，導(dǎo)致晶體、陶瓷、環(huán)氧樹脂、玻璃封裝器件破裂、失效。而振動導(dǎo)致設(shè)備及內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生動態(tài)位移，其位移及相應(yīng)的速度、加速度會引起結(jié)構(gòu)件疲勞，導(dǎo)致器件松動、斷續(xù)接觸和功能損壞。

具體案例如圖2所示[1]，在振動激勵作用下，垂直于軸向的印制電路板面，加速度使其產(chǎn)生偏移，前后彎曲，導(dǎo)致固定器件與電路板的引線產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。印制電路板、器件本體、引線間發(fā)生相對運動產(chǎn)生動態(tài)應(yīng)力。在該環(huán)境下,大多數(shù)器件的失效都是由焊點開裂、密封破壞、引線斷開而引起。當耦合諧振出現(xiàn)在器件或印制電路板中時，這種相對運動最為嚴酷。

圖2 典型安裝的印制板在振動時引起的元器件引線彎曲

1.4 電磁環(huán)境

主要是針對器件、電路板、設(shè)備、系統(tǒng)在電磁環(huán)境下運行時發(fā)生的電磁干擾問題。當多個高精度、高靈敏的電子設(shè)備安裝于狹小緊湊的空間(如車載、艦載和機載環(huán)境)里，設(shè)備間產(chǎn)生相互干擾，影響敏感設(shè)備的正常工作，導(dǎo)致裝置、設(shè)備或系統(tǒng)性能下降。

電磁干擾形成的3個要素是干擾源、傳播耦合通道和敏感設(shè)備。干擾源發(fā)出的電磁能量，通過某種耦合通道傳輸至敏感設(shè)備，導(dǎo)致敏感設(shè)備出現(xiàn)某種形式的響應(yīng)并產(chǎn)生效果，其過程和影響稱為電磁干擾效應(yīng)。當干擾導(dǎo)致設(shè)備和系統(tǒng)失靈，可能會引起嚴重事故。

2 就環(huán)境適用性開展結(jié)構(gòu)方案設(shè)計的前提

環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計的前提，是整個產(chǎn)品設(shè)計團隊就應(yīng)用環(huán)境對設(shè)備影響和危害有充分的認識，對各自業(yè)務(wù)領(lǐng)域的功能指標服從于整體環(huán)境適應(yīng)性指標的認知高度一致，這也是后期產(chǎn)品順利就結(jié)構(gòu)方案開展環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計的保證。就整體功能指標、結(jié)構(gòu)質(zhì)量特性、氣候環(huán)境特性、耐機械沖擊、熱設(shè)計特性、電磁兼容特性等各指標之間的相關(guān)性或者耦合特性進行分析，按照表1相關(guān)性由弱到強地進行結(jié)構(gòu)環(huán)境適應(yīng)性解耦設(shè)計。

表1 環(huán)境適應(yīng)性指標特性的相關(guān)性強弱分析

注：+，強相關(guān);-，弱相關(guān)

3 環(huán)境適應(yīng)性下的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

3.1 非受控環(huán)境下結(jié)構(gòu)設(shè)計

就非受控環(huán)境下的電子設(shè)備結(jié)構(gòu)部件，按照設(shè)計用途、適用環(huán)境等級，其材料及緊固件選型、表面涂覆工藝處理必須與設(shè)計應(yīng)用環(huán)境相一致。

當設(shè)備工作在戶外，暴露于自然環(huán)境，受到風吹日曬、雨雪冰雹直接作用的機械結(jié)構(gòu)件稱為I型結(jié)構(gòu)件。反之，處于設(shè)備內(nèi)部只受到間接影響的結(jié)構(gòu)件稱為II型結(jié)構(gòu)件。工作在B類環(huán)境下的I型結(jié)構(gòu)件可采用熱鍍鋅鋼板，外表不能有切口和焊縫，表面噴涂室外粉末涂層；當設(shè)備結(jié)構(gòu)屬于直通風時，其緊固件表面處理工藝為鍍鋅鎳；或選用常見的鍍彩鋅、黒鋅工藝緊固件。

C類環(huán)境下的I型結(jié)構(gòu)件和螺紋緊固件可采用奧氏體不銹鋼06Cr19Ni10或443，表面鈍化。當不銹鋼與鋁鋅基材的零件接觸時，為避免電偶腐蝕，不銹鋼表面應(yīng)進行噴粉或作鋅鋁涂層絕緣工藝處理。

D類環(huán)境下I型結(jié)構(gòu)件的材料選型和表面處理工藝與C類相同，但螺紋緊固件應(yīng)為022Cr17Ni12Mo2，當設(shè)備內(nèi)部相對濕度不能控制在65%以下時，結(jié)構(gòu)件嚴禁設(shè)計為戶外直通風。當為車載或艦載時可采用鋁合金件，表面采用陽極氧化、聚氨酯清漆或采用導(dǎo)電氧化處理，選用鍶黃底漆，然后再噴面漆。

3.2 器件三防工藝、灌封材料選型和結(jié)構(gòu)防腐蝕設(shè)計

當設(shè)備工作于非受控環(huán)境下時，僅靠箱體或柜體的表面防護設(shè)計，對設(shè)備內(nèi)部器件的防護是有限的。為保證器件可靠性，首先要對調(diào)試后印制板和功率模塊作三防涂覆工藝處理。在被涂覆物表面生成一層20～200 μm的保護膜，使被涂覆物與周圍環(huán)境進行隔離。但它不耐振動沖擊，膜層間有針孔，不能完全耐水汽侵蝕，僅適用于一般大氣環(huán)境和艙內(nèi)電子設(shè)備。

對暴露在濕熱、鹽霧和霉菌環(huán)境下的器件，還需要采用環(huán)氧樹脂、有機硅或聚氨酯等灌封材料對電子器件進行封裝，與環(huán)境徹底隔絕，保證電氣性能不受影響。灌封材料選型時要考慮材料理化特性并權(quán)衡被灌封器件的維修性和可靠性。環(huán)氧樹脂性能穩(wěn)定、附著力強、耐絕緣、耐磨和強度高，灌封后尺寸穩(wěn)定和耐輻照性較強。缺點是彈性韌性不足，脆性大，固化時有內(nèi)應(yīng)力，有導(dǎo)致脆性器件開裂的可能,且封裝為一次性，灌封后無法拆裝，不可維修，適用于高壓變壓器類可靠性較高的元件。有機硅凝膠和聚氨酯屬于彈性封裝材料，綜合性能好，易拆裝，可維修性強，適用于復(fù)雜電路、印制板、模塊類器件。

為降低腐蝕環(huán)境對設(shè)備的影響，戶外結(jié)構(gòu)件表面形狀應(yīng)簡單、光滑、避免尖角；為避免內(nèi)部積水、凝露、濕氣和腐蝕介質(zhì)，底板應(yīng)設(shè)計一定的傾角，可以排露排液。不同金屬的搭接表面，I型結(jié)構(gòu)件表面金屬電極電位差應(yīng)控制在0.25 V以內(nèi)；Ⅱ型結(jié)構(gòu)件電極電位差應(yīng)控制在0.5 V以內(nèi)，以避免電偶腐蝕。對不滿足電位差要求的金屬，必須搭接時，可選擇涂覆絕緣保護層、增加絕緣襯墊、填充密封膠或鍍覆過渡金屬層處理。

3.3 振動沖擊環(huán)境下的隔振機理及結(jié)構(gòu)加固設(shè)計

抑制振動和沖擊的方法有消除振源、去諧、去耦、阻尼、小型化和剛性化。評價結(jié)構(gòu)系統(tǒng)隔振性能的參數(shù)為振動傳遞率。當以圖3所示的單自由度系統(tǒng)在簡諧激勵力作用下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)分析定義傳遞位移和擾動位移的比值時，傳遞率TX為：

(1)

圖3 單自由度隔振系統(tǒng)傳遞率的頻率特性

圖4 機箱PCB二自由度的隔振系統(tǒng)

以圖2、圖4所述機箱內(nèi)印制電路板為例，對振動環(huán)境下的機箱PCB加固設(shè)計，應(yīng)就系統(tǒng)固有頻率設(shè)計進行規(guī)劃，在機箱固有頻率的分析階段，按照激勵的傳遞通道考慮采用倍頻程法對機箱、PCB的固有頻率隔離，即機箱與PCB的固有頻率應(yīng)以大于2∶1的比值進行設(shè)計。作為質(zhì)量1的機箱具有100 Hz的固有頻率，質(zhì)量2的PCB應(yīng)具有大于200 Hz的固有頻率。合理設(shè)計機箱蓋板、底板、側(cè)板和前后面板的截面尺寸，優(yōu)化慣性矩，控制單位長度質(zhì)量，對剛度薄弱的部分增加壁厚，調(diào)整橫截面積，提高慣性矩，采用加強肋提升機箱的剛度。同理，PCB組件可通過小型化控制鎖緊螺釘?shù)拈g隔，增加鎖緊螺釘個數(shù)，在PCB主板設(shè)置加強筋，采用剛性灌封材料環(huán)氧樹脂進行封裝都可以提升和控制PCB組件的基礎(chǔ)頻率。

采用計算機輔助工程(CAE)的有限元動力學(xué)模態(tài)分析就振動環(huán)境下結(jié)構(gòu)方案開展固有頻率設(shè)計和驗證是很有必要的。某艦載電子設(shè)備在機箱設(shè)計階段的動力學(xué)模態(tài)仿真前6階諧振頻率特性(見表2)，部分振型如圖5所示。

表2 機箱前6階諧振頻率特性

圖5 機箱第一第二第六模態(tài)振型

經(jīng)過分析可知，機箱的一二六階諧振位置均發(fā)生在蓋板，其振型分別為上下彎曲的半正弦波、全正弦波、有2組零位移的波節(jié)點的正弦波振動。機箱的一階諧振頻率取決于組件蓋板的剛度。在控制機箱質(zhì)量的前提下，對蓋板非外觀面背面采用局部添加強筋的優(yōu)化方案如圖6，優(yōu)化后機箱前6階諧振頻率特性和部分振型如表3和圖7。

圖6 機箱蓋板優(yōu)化方案

表3 蓋板加固優(yōu)化后機箱前6階諧振頻率特性

在動力學(xué)環(huán)境下，低階固有頻率因模態(tài)有效質(zhì)量較高，對系統(tǒng)的動力學(xué)性能影響最大，高階諧振頻率因模態(tài)有效質(zhì)量小，激發(fā)后產(chǎn)生的諧振對系統(tǒng)的損傷影響也小。由圖7可知，蓋板優(yōu)化后，機箱的基礎(chǔ)諧振頻率提升了約1倍有余，其余5階也有較大幅度的提升，機箱整體剛度明顯改善。同理對機箱前后進出風板采取類似加固方法，系統(tǒng)整體剛度仍會有較大的提升空間。

圖7 機箱第一第三第六模態(tài)振型

機箱常見振型主要以彎曲、扭轉(zhuǎn)和上述兩振型的耦合為主，振型耦合后諧振頻率會明顯低于振動諧振頻率和扭轉(zhuǎn)固有頻率，機箱會出現(xiàn)較大的位移和應(yīng)力，導(dǎo)致材料壽命縮短。故機箱設(shè)計時應(yīng)消除耦合，在振動沖擊量級較高的環(huán)境下，對機箱盡可能全約束；避免使用簡單的滑軌限位結(jié)構(gòu)。內(nèi)部器件選型應(yīng)高度尺寸相近，避開高重心元件，機箱安裝架高度應(yīng)高于機箱重心，機箱高度與寬度的取值不超過0.5。

3.4 環(huán)境適應(yīng)性下的熱設(shè)計及EMC耦合設(shè)計

戶外電子設(shè)備要能夠耐受自然環(huán)境溫度和氣候變化，并具備一定的熱設(shè)計裕量。熱設(shè)計的目的是通過采用恰當?shù)姆椒刂圃O(shè)備內(nèi)部器件的溫度，使其在工作環(huán)境溫度下不超過穩(wěn)定運行的最高溫度，保證設(shè)備長期運行的安全性和可靠性。對IGBT、SRC和MOSFET可控硅元件，通過器件選型，確定降額因子，使器件芯片結(jié)溫工作在允許的使用范圍，承受的熱應(yīng)力低于其額定值，達到延緩參數(shù)退化的目的。對變壓器、電抗器類應(yīng)保證其工作時溫升不超過對應(yīng)的絕緣和阻燃材料的設(shè)計要求。

在項目立項階段，結(jié)構(gòu)設(shè)計即應(yīng)參與到產(chǎn)品熱設(shè)計的概念設(shè)計環(huán)節(jié)，確定冷卻方式為強迫風冷或自然冷卻。冷卻方式不同，結(jié)構(gòu)方案的布局會有很大的差異。當系統(tǒng)設(shè)計為風冷時，規(guī)劃內(nèi)部器件布局、風道設(shè)計，應(yīng)優(yōu)先保證發(fā)熱量較低的器件和敏感功率元件置于風道進風側(cè)，非敏感負載(變壓器)放在風道的出風口側(cè)?；谠O(shè)備理論滿載功率和效率，確定熱損耗值W，評估設(shè)備進出口溫升ΔT，對應(yīng)風冷系統(tǒng)的風機PQ特性曲線中級風量參數(shù)Q應(yīng)滿足；

Qactual=W/ρCpΔT

(2)

Qfan=(1.5～3)Qactual

(3)

風冷系統(tǒng)的風阻特性導(dǎo)致風機產(chǎn)生的靜壓損失ΔP可以通過下式估算:

(4)

ω0=Qactual/Aoutlet

(5)

式中:ρ為對應(yīng)環(huán)境溫度下的空氣密度;CP為對應(yīng)環(huán)溫下的空氣定壓比熱容;ζ為風道阻力系數(shù);Qactual為風機實際出風量；Aactual為風機出風口橫截面積;ω0為流經(jīng)風道的風速。

其中,風道的各部分阻力系數(shù)值詳見文獻[3]。依據(jù)風機實際風量在預(yù)選風機的PQ曲線查到的靜壓必須大于式(8)估算的ΔP，否則風機重新選型。就系統(tǒng)設(shè)計溫升，對戶外設(shè)備可避免太陽直射或其他熱源的輻射時，控制在10～15 ℃，當無法避免太陽直射時，系統(tǒng)設(shè)計溫升應(yīng)控制在10 ℃以下。

當戶外設(shè)備選擇自然冷卻式時，大多在于設(shè)備同時有明確的EMC耦合要求而非器件熱流密度較小。出于屏蔽機理,以密閉金屬殼體為屏蔽結(jié)構(gòu)，采用功率元件表面貼附金屬結(jié)構(gòu)件表面?zhèn)鲗?dǎo)散熱，同時并聯(lián)增加功率元件組數(shù)，降低器件熱流密度；結(jié)構(gòu)件采取黑色陽極氧化和磨砂工藝，增強熱輻射散熱能力。因這一方案傳熱路徑熱阻較高，僅適用于屏蔽內(nèi)部電流密度較小的情形。當設(shè)備熱流密度、屏蔽效能、屏蔽頻率要求都比較高時，應(yīng)選擇穿孔金屬板或者截止波導(dǎo)式的空氣自然對流或強迫風冷屏蔽方案。但前提是應(yīng)對其屏蔽效能進行選型評估。穿孔金屬板的屏蔽效能為[4]：

ES=A+R+B+K1+K1+K2+K3

(6)

式中:A為孔的吸收損耗;R為孔的反射損耗;B為多次反射修正因子;K1為孔洞數(shù)目修正;K2為低頻穿透修正;K3為孔間相互耦合修正。

截止波導(dǎo)的屏蔽效能為[4]:

ESΣ=ES1-20lgN

(7)

式中:ESΣ為截止波導(dǎo)通風板的總屏蔽效能;ES1為單根截止波導(dǎo)的屏蔽效能;N為截止波導(dǎo)的總數(shù)。

確定對應(yīng)穿孔金屬板或截止波導(dǎo)的孔徑參數(shù)和開孔率后，依據(jù)風冷系統(tǒng)風機的選型方法,計算風道總體阻力系數(shù)，確定風機型號。在項目設(shè)計階段,對熱設(shè)計有耦合要求和存在EMC的情況應(yīng)開展理論計算、誤差分析、計算流體動力學(xué)(CFD)和EMC耦合仿真模擬的前期論證,并結(jié)合測試階段的設(shè)計驗證測試和設(shè)備驗證多個環(huán)節(jié)進行分析驗證。

4 結(jié)束語

電子設(shè)備基于應(yīng)用環(huán)境的適用性設(shè)計涉及學(xué)科和業(yè)務(wù)領(lǐng)域比較多，復(fù)雜度較高，但作為電子設(shè)備的重要性能指標，在項目規(guī)劃中必須予以保證和重視。在項目初期就環(huán)境適用性開展總體設(shè)計分析，結(jié)構(gòu)與電氣應(yīng)就業(yè)務(wù)邊界的交叉領(lǐng)域、盲區(qū)予以識別，采取并行設(shè)計和統(tǒng)籌設(shè)計結(jié)合的方法，依據(jù)項目合同研制任務(wù)書對產(chǎn)品各項功能指標進行分解、細化；采用先進的設(shè)計技術(shù)和工藝，并就項目技術(shù)成熟度進行論證，確保產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性指標的方案設(shè)計文件可靠，研制項目順利實施和交付。此外，對前期同類產(chǎn)品的定期檢查和維修性、可靠性數(shù)據(jù)的收集、歸納整理也有助于提高后期新項目產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計的可行性。