电子设备的现代防护技术

　　0 引言

　　随着现代电子技术的迅速发展，电子设备己广泛应用于人类生活的各个领域。当前，电子设备己处于飞速发展时期，并且这个发展过程仍以日益増长的速度持续着，这使其具有一些特殊要求。

　　1)电子设备的广泛应用和发展使之精度和灵敏度不断提高，对免受电磁干扰影响的要求也就越来越高，同时这些设备在使用时也会对外部产生电磁辐射干扰。因此，必须解决电子设备在电磁环境中的适应能力。

　　(2)在振动环境下，由于振动的疲劳效应及共振现象，电子设备可能出现电性能下降、零部件失效、疲劳损伤甚至破坏的问题。这就对电子设备的可靠性提出了要求，因此必须提高设备的抗振动与冲击的能力'

　　(3)电子设备和元器件日趋小型化，而功能与复杂性日益増长，这使得设备的体积功率密度越来越大，热流密度急剧上升。结果就导致了电子设备的温度迅速提高，电子设备的故障也越来越多。所以电子设备的散热技术，即温度控制技术也需要加以特别研究17。

　　(4)随着电子设备的应用范围越来越广，不可避免地会遇到潮湿、盐雾、霉菌等工作环境，为了増强设备工作适应性，提高整机可靠性，延长使用寿命，减少使用过程中的故障率，必须加大现代三防技术的研究与应用。

　　因此，电子设备的现代防护技术不容忽视，必须进行研究，加以规范。通常电子设备现代防护技术主要包括电子设备的电磁屏蔽技:术防振动、抗冲击技术温度控制技术以及三防技术等。

　　1电磁屏蔽技术

　　电子设备的电磁屏蔽技术（EMS)属于电磁兼容技术（EMC)中的一个重要方面。国内对移动通讯系统电磁兼容技术的研究，主要集中在飞机、舰艇或导弹方面；国外广泛采用了SMCAPPP等系统分析软件，来解决电磁屏蔽的问题，美国在其各种军用飞机、导弹、信息指挥系统以及舰船等装备的研发中，均有详细而系统的电磁兼容分析。电磁屏蔽是指对两个空间区域之间进行金属的隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。具体讲，就是用屏蔽体将元部件、电路、组合件、电缆或整个系统的干扰源包围起来，防止干扰电磁场向外扩散;用屏蔽体将接收电路、设备或系统包围起来，防止它们受到外界电磁场的影响。

　　一般来说电磁干扰源主要有内部干扰与外部干扰两种。内部干扰是指电子设备内部各元部件之间的相互干扰，包括以下四种:①工作电源通过线路的分布电容和绝缘电阻产生漏电造成的干扰（与工作频率有关）②信号通过地线、电源和传输导线的阻抗互相耦合，或导线之间的互感造成的干扰;③设备或系统内部某些元件发热，影响元件本身或其他元件的稳定性造成的干扰;④大功率和高电压部件产生的磁场、电场通过耦合影响其他部件造成的干扰1111。外部干扰是指电子设备或系统以外的因素对线路、设备或系统的干扰，主要包括以下五种:①外部高电压、电源通过绝缘漏电而干扰电子线路、设备或系统;②外部大功率设备在空间产生强磁场，通过互感耦合干扰电子线路、设备或系统;③空间电磁波对电子线路或系统产生的干扰;④工作环境温度不稳定，引起电子线路、设备或系统内部元器件参数改变造成的干扰;⑤由工业电网供电设备和电网电压通过电源变压器所产生的干扰。

　　通常情况下，电磁干扰的传递途径有两种:①传导耦合，指噪声可通过公共导线（如公用电源、公用连线等）设备间电容、相邻导线的互感来传播至敏感设备;②电磁辐射耦合，指干扰源通过空间辐射将干扰传递给接收电路的耦合方式。接收电路受到干扰的程度与所处位置的干扰场强成正比，而干扰场强取决于源的类型、传播媒介、接收电路距源的距离等。

　　在选择屏蔽体材料时应注意的原则是:①当干扰电磁场的频率较高时，利用低电阻率（高电导率）的金属材料中产生的涡流（P=IR电阻率越低（电导率越高）消耗的功率越大）形成对外来电磁波的抵消作用，从而达到屏蔽效果;②当干扰电磁波的频率较低时，要采用高导磁率的材料，把磁力线限制在屏蔽体内部，防止扩散到屏蔽的空间去;③在某些场合下，如果要求对高频和低频电磁场都具有良好的屏蔽效果时，往往采用不同的金属材料组成多层屏蔽体。概括来蔽：电场屏蔽、磁场屏蔽、电磁场屏蔽;③其他抑制干扰方法:滤波、正确选用无源元件、电路技术。下面给出电子设备实际应用中，几个典型电磁兼容性问题的解决方法：a为防止汽车电气噪声对环境的污染，规定只能使用带阻尼（如碳芯）的屏蔽线作为点火线；b解决微电技术；c微机设备的软件抗干扰；d塑料金属化处理；？可采取许多技术措施减小电磁干扰，使电磁干扰控制在一定范围内。

　　2防振动、抗冲击设计

　　随着现代军事技术的飞速发展，移动或车载装备越来越普遍，电子设备频繁地受到振动、冲击等机械环境影响，这些都对电子设备的可靠性提出了越来越高的要求。振动与冲击对设备造成的危害有:①设备在某个激振频率下发生振幅较大的共振;②长期的振动和冲击，易使电子设备产生疲劳破坏。

　　防振动、抗冲击设计主要采取两个措施:

　　(1)加固设计。确定并加固电子设备结构上的薄弱环节，提高设备固有频率，使其容许冲击应力和疲劳极限高于其实际响应值。

　　(2)采用隔振缓冲系统。对电子设备整机进行隔振缓冲设计，使外部激励通过隔振缓冲系统减弱后，传递给设备的实际作用力小于设备的许用值。

　　电子设备的防振动、抗冲击设计虽然难度大，但只要弄清楚设备所处的机械环境，有针对性地去分析、研究，并大胆使用新的设计方法（如模块化设计方法、小型化设计方法等）、新技术（如表面贴装技术ST高密度组装技术等）、新材料（如性能优越的工程塑料）、新工艺，同时结合己有的成熟理论和设计经验，就可以提高设备的防振动、抗冲击能力。

　　3温度控制技术

　　电子设备的温度控制是其结构设计的重要内容，它对提高电子设备可靠性，延长使用寿命具有非常重要的意义|151。现在常用的散热仿真软件是处于全球绝对领导地位的FCMERCS软件公司研发的FLOTERM它提供了设备的整机系统以及局部器件的温度控制仿真设计1161。电子设备的温度控制问题主要反映在设备中功率器件和功率组件上，这些设备的散热方式有多种，其方法和特点如下。

　　31自然冷却

　　电子设备所产生的热量通过传导、对流、辐射三种备降低环境温度，达到散热目的。进行温度控制时，要尽可能减小传递热阻，増加设备中的对流风道和换热面积，増大设备外表的辐射面积。这种冷却方法是最简单、最经济的，但散热量不大，一般用于热流密度不大的电子设备。

　　32强制冷却

　　321空气强制对流冷却

　　此技术相对于自然冷却减小了电子设备冷却系统的体积，使设备具有更高的元器件密度和热点温度。空气强制对流冷却方式有多种，按风机工作方式可分为抽风冷却和吹风冷却，按空气流经发热元件方向可分为横向通风冷却和纵向通风冷却。

　　通常风源产生方法主要有两种：

　　(1)在电子设备内米用风扇有离心、轴流、螺旋桨等形式）以加大空气流量，强化电子器件散热。

　　(2)在电子设备外部，例如在车载或机载等移动设备的机体开设多个通风孔，当载体运动时，外部气源经通风孔鼓风，从而达到散热效果。

　　322液体强制冷却

　　目前液冷技术正在向两个方向发展，一是用来处理设备产生的热量，以使元件温度和温差限制在可接受的水平;二是使器件和电路处于极低温度状态下，以提高器件开关速度和降低金属布线电阻，从而提高电子设备性能。超低温冷却技术是在特定条件下提高电子设备性能的有效手段，并且为液体冷却应用开辟了一个新的领域。

　　33相变冷却

　　其原理是利用相变材料的相变过程进行温度控制，主要有液体气化和固体熔化。液体气化冷却主要用于高密度部件或处于常温蒸浴状态的电子器件。固体熔化冷却采用一种如塑性化合物的合适材料，当从器件吸收大量热量时就熔化，材料熔化时温度并没升高，所吸收的热量转化为材料的熔化热，从而起到冷却发热电子器件的作用。固体熔化冷却的优点是原理简单，不耗费能源，缺点是冷却能力限制在吸收材料的热容量以内，适用于处于脉冲工作状态的电子设备。在选择相变材料时应注意材料的熔化点，其数值应等于或接近发热部件的正常工作温度。

　　34其他散热技术

　　(1)热管技术。热管是一种密封结构的空心管，管内含有蒸发时传递大量热量的液体以及冷凝时将液体带回起点的吸液芯。

　　(2)热电制冷技术。当电流通过N性半导体和P头上吸收热量。其制冷温度范围为一20°C至常温。

　　(3)智能磁悬浮风扇、金属框架散热、镁铝合金外壳散热、专用散热风道、散热剂等。

　　4三防技术

　　在现代电子设备的实际应用环境中，潮湿、盐雾和霉菌对电子设备的侵蚀情况比较普遍。工作的气候因素和环境条件是非常复杂的，既能互相影响，又能同时作用，从而会加速对设备和器材的损害。因此在考虑电子设备可靠性和稳定性时，要根据不同环境条件采取相应的防护措施，也就是说，三防技术在实际应用中具有广泛且重要的意义|201。现代三防（防潮湿、防盐雾、防霉菌）技术的范畴，己不单纯是一项工艺技术的实施，它涉及到电路、结构、工艺和综合性的技术管理等方面181。

　　为了提高电子设备的可靠性，必须在设计阶段就考虑产品的三防问题。三防第一步是确定电子设备的工作环境，第二步是确定在这种环境条件下所用元器件及材料的性能，若是这种性能不能满足产品可靠性或处于临界状态时，就要采取相应的防护措施，或者选择耐环境的元器件和材料。电子设备三防的基本方法有:①采用不受潮湿、盐雾、霉菌等侵蚀的材料和防护层;②通过排除湿气、杀菌等方法改善环境;③通过组件密封、元件包封、零件涂覆等方法，防止腐蚀介质接触到材料;④利用周期性检查和维修及时排除问题。

　　41防潮湿设计

　　潮湿是电子设备损坏变质的主要因素之一，它有三个方面的侵蚀作用，即物理的（溶胀、变化和最终分解）机械的破坏或机械性能变化）电气的（改变电气性能）

　　防潮湿设计的基本方法是对材料表面进行防潮处理，对元器件乃至整机进行密封、灌封、镶嵌、气体填充或液体填充，暴露的接触面应避免不同金属的接触，尤其要避免活泼金属和稳定金属的接触。可以采用单项或几项综合措施来防止潮湿的影响，设计方法包括:①采用具有防水、防霉、防锈蚀的材料；②提供排水疏流系统或空气循环系统，消除湿气聚积物;③采用干燥装置吸收湿气;④采用保护涂层以防锈蚀;⑤憎水处理以降低产品的吸水性或改变其亲水性能;⑥浸渍、灌注和灌封，塑料封装和密封等。

　　42防盐雾设计

　　盐雾主要对海上和近海处的设备有影响，它是电子设备损坏变质的一个重要原因。水中溶解的盐具有料;另一方面提供一种活性电解质，使不同金属接触时产生电偶腐蚀，并促进具有不同电动势或处于不同电压下的金属产生电解过程。防盐雾设计的基本原则是采用密封结构，选用耐盐雾材料不锈钢或以塑料代替金属）元部件采用相应防护措施，涂覆有机涂层，不同金属间接触要防接触腐蚀。

　　43防霉菌设计

　　霉菌主要由蛋白质组成，其分泌出的各种酶可破坏许多有机物和它们的衍生物，还可破坏许多矿物质，从而影响某些电子设备的密封、绝缘，并降低其性能，缩短其使用寿命。因霉菌可以导电，故一般来说它侵蚀材料所造成的危害主要有以下几个方面:①绝缘材料的绝缘电阻和抗电强度大幅度下降，微型电路板上的霉菌还可使线路间短路;②塑料因増塑剂、填料被霉菌消耗而使塑性变差，加速了老化过程;③天然橡胶制成的密封件被破坏，导致密封破坏;④金属材料因霉菌新陈代谢的分泌物的电解作用，造成腐蚀破坏;⑤玻璃等光学零件，因采用表面镀层，霉菌的生长会损害其光学性能;⑥漆膜有可能被霉菌穿透，从而损失保护作用。

　　克服霉菌危害的主要措施有：①选择不易长霉和耐霉性好的材料;②将设备严格密封，并使其内部空气保持干燥(相对湿度低于65%)、清洁;③设备表面涂覆防霉剂或防霉漆;④利用紫外线照射防霉，并消灭己生长的霉菌;⑤在密封设备中充以高浓度臭氧来消灭霉菌。

　　5结束语

　　电子设备可靠性是其质量的主要内容，为了达到其性能指标必须进行电子设备的可靠性设计，而防护设计是可靠性设计应遵循的基本准则之一。尽管电子设备都可以在一定的环境条件下工作，但若把环境条件控制在较适宜的范围内，它们的可靠性就会有较大提高。从上述讨论可知，保证电子设备的电磁兼容性是保证可靠性指标的重要环节，解决电磁屏蔽问题需掌握有关电磁兼容的基本原理，并认真分析和试验，选择合适解决方法;提高设备内部的抗振动、冲击设计也是实现结构进一步优化的方法之一；电子设备的温度控制技术是一项十分复杂的技术仍有许多问题亟待解决；同时在复杂环境下使用电子设备时，也必须注意防潮湿、防盐雾、防霉菌即三防设计的应用。

　　总的来说，在研制电子设备时必须根据其本身特点、结构分布、使用环境等，考虑现代防护技术的设计重要的指导意义与参考价值。

　                         　王从思，段宝岩，仇原鹰

　                    　（西安电子科技大学机电工程学院，陕西西安710071)