(一)振動、衝擊對系統可靠性的影響
*機械振動衝擊對系統的可靠性也會產生影響,該類振動包括變頻振動、線性加速等衝擊。
*在系統設備中,振動、衝擊會造成元器件變形,接觸不良,嚴重的還會造成元器件損壞。
*因此,進行抗振動衝擊設計,就是在設計上採用各種有效措施,減輕機械環境對系統設備可靠性的影響。
(二) 抗振動、衝擊的措施
1)消除相關振源
消除設備內外的相關振源是設備振動與衝擊防護的主要措施。
2)採用隔離措施,防止高頻激振
當激振頻率較高時,通過提高結構的剛度等措施來改變設備的振動特性不可取,這時可在設備和傳遞振動的基礎結構之間採取隔離措施(如安裝減振器)。
3)提高結構剛度,防止低頻激振
設備的振動特性由其品質、剛度和阻尼特性確定。當激振頻率較低時,在不增加品質和改變阻尼特性的情況下,通過提高結構剛度,來提高設備及元器件的固有頻率與激振頻率的比值,達到防振的目的。
(三)設計方法
任何電子產品都是有眾多的元器件、模組、元件、單元等組成,無論它們是大是小,都是要通過結構設計將其安裝起來,才能形成所需的功能和性能。對此就需解決三個問題。
其一:選用符合抗振緩衝要求的元器件、模組、元件、單元
其二:進行抗振緩衝擊結構設計
其三:採用符合抗振緩衝擊要求的安裝工藝
1、採用符合抗振緩衝要求的結構與工藝
a、材料的選用
對抗振緩衝而言, 材料的選用除考慮靜態應力外,更主要根據振動與衝擊對結構及支撐所產的動態應力和動態變形來考慮,若所產生的動態應力和動態變形在材料允許的安全工作應力範圍,則不需特別設計,若超過則要採取措施,例如:加強、減低慣性矩與彎曲矩效應、或者更進一步的加上支撐構件。假如這些方法還不能將應力減低至安全要求以下,更進一步的辦法是減低應力的方法是採用減震裝置。
b、緊固件的選用
對要經受振動與衝擊的緊固件,不能單考慮靜態安裝。更主要的是考慮動態強度。
c、元器件的安裝
從國內外元器件失效分析資料表明,有近一半元器件失效並非由於元器件本身固有品質不高,而是由於使用者對元器件選擇不當或缺乏抗振緩衝安裝知識造成的
1 振動與衝擊對元器件的影響
振動與衝擊對元器件的影響主要表現在三方面:
(a)振動衝擊的作用力超過了元器件的極限承受能力;
(b)由於設計不當引起共振,造成元器件過高的回應而導損傷;
(c)疲勞損壞,即雖然振動和衝擊加速度未超過極限值,但在長時間的作用下,產品及其元器件,零部件因疲勞作用而降低了強度,最後導致損壞。
2 安裝方式、方法及位置
元器件的抗振動與衝擊的強度隨安裝方式、方法及位置不同而有很大差別,在電子設備的初步設計階段,就應當明確振動與衝擊的要求,以便合理的確定電路和結構設計方案,選擇合適的電子元器件(包括瞭解和計算元器件的固有頻率等)及其安裝方法,正確確定機械結構的強度、剛性、品質分佈和阻尼大小等。
1)分離元器件的安裝
元器件臥式安裝
元器件臥式安裝可以提高其固有頻率,臥裝抗振能力強,為提高抗振與緩衝能力,臥裝可緊貼安裝板,也可墊上橡皮、塑膠、纖維、毛氈安裝等;還可用環氧樹脂固定。對於小型電阻、電容器盡可能臥裝,並在元器件與底版間填充橡皮或用矽橡膠封裝
分離元器件的安裝-元器件豎直安裝方式
元器件豎直安裝方式
有些小型設備為了充分利用空間,提高組裝密度,如彈載設備,多採用豎直安裝方式,用這種安裝方式,抗振與緩衝能力比緊貼印製板臥式安裝要差許多,若用於惡劣環境條件,必須採用固定措施,為了提高其抗振能力,立裝應儘量剪短引線。
(1)分離元器件的安裝-元器件價加固安裝
元器件價加固
用固封材料固封將元器件部分或全部固封起來,例如環氧樹脂、矽膠等,可以較大的提高元器件抗振動與衝擊的能力
電晶體的安裝
功率電晶體一般採用立裝,為了提高其本身能抗衝擊和振動能力,可以臥裝、倒裝,並用彈簧夾、護圈或粘膠(如矽膠、環氧樹脂)固定在印刷板上。
大功率電晶體應與散熱器一起用螺栓固定在底板或機殼上。
(2)積體電路、半導體器件的安裝
(a)失效率低又無需調整的積體電路,應直接焊在印製板上,這樣不僅抗振性能好,而且減少了接外掛程式,提高了整機可靠性。
(b)需要經常調整的類比電路,在調整中容易損壞的,可以採用插座,如用於惡劣環境條件中,應用適當地粘牢,避免振動時脫落。
(c) 積體電路元件,一定要注意貼面安裝,降低積體電路的安裝高度,安裝高度應控制在7~9㎜之內。
(d)對於不同的半導體器件,安裝方法應不同,對於帶插座的電晶體和積體電路應壓上護圈,護圈用螺拴緊固在底座上。對於有焊接引線的電晶體,可以採取臥裝,專用彈簧夾,護夾、護圈或塗料(如矽橡膠)固定在印製板上。
(3)其它元件的安裝-大品質元器件安裝
(a)重量大於15g的元器件,對大的電阻、電容器則需用附加緊固裝置。變壓器、繼電器、電位器、晶體等;較重的元器件應儘量靠近支架安裝;並儘量安裝在較低的部位,變壓器應儘量安裝在產品的底層,利用變壓器鐵心的穿心螺栓將框架和鐵心牢固地固定在底板上,其螺栓應有防松裝置。
(b)對活動裝置,如接外掛程式、組合件、門等應有可靠的緊固裝置;
4)引線要求
(c)儘量將幾根導線編紮在一起,並用線夾作分段固定,以提高其固有頻率,降低振動的慣性力,提高抗衝擊振動能力。但單線連接有時是不可避免的,這時使用多股導線比單股硬導線好,跳線不能過緊也不能過松。若過緊,在振動時由於沒有緩衝而易造成脫焊或拉斷。為提高離散的的電器元件的安裝剛性,儘量縮短引線的長度,注意貼面的焊接,並用環氧樹脂膠或聚氨脂膠點封在安裝板上。為避免電阻器和電容器諧振,在安裝時一般採取用剪短引線來提高其固有頻率使之遠離干擾頻譜。
(5)襯墊與距離
(d)安裝因振動易損壞的元件時,如陶瓷等較脆元件及其他較脆弱的元件和金屬件聯接時, 應有減振裝置,與金屬件連接時,要墊上橡皮,塑膠、毛毯等減震襯墊材料;
(e) 元器件之間應有足夠的距離,以免振動時發生短路或互相磨擦致損;
(6)冗餘與制動裝置
(f)可調元件如電位器等應有緊固措施;即所有調諧元件應有固定制動裝置,使調諧元器件在振動和衝擊時不會自行移動。
(g)繼電器類元件的安裝,應使觸點的動作方向,儘量不要同振動方向一致,如有必要,可安裝兩個互相垂直的繼電器並聯使用,以防止縱向、橫向振動失效,即採用冗餘設計;
(h)品質較大、有一定懸臂的器件應加機械固定或用膠灌封,以免其局部共振引起電氣焊點受力較大而斷裂拉開。
(i)對於插接式的元器件,其縱軸方向應與振動衝擊方向一致,同時,應加設蓋帽或管罩壓緊防止振動與衝擊過程中的鬆動。
(7)加固安裝
(j)品質較大、有一定懸臂的器件應加機械固定或用膠灌封,以免其局部共振引起電氣焊點受力較大而斷裂拉開。
(k)對於插接式的元器件,其縱軸方向應與振動衝擊方向一致,同時,應加設蓋帽或管罩壓緊防止振動與衝擊過程中的鬆動。
4 印製電路板設計
印製電路板較薄,易於彎曲,所以印製板應儘量採用小板結構,電路板最佳形狀為矩形,長寬比為3∶2或4∶3。電路板面尺寸大於200x150mm時.應考慮電路板所受的機械強度,即尺寸較大的應有中間加強措施。印製板四周邊應儘量無自由邊,以提高印製元件的固有頻率,避免低頻諧振。
(a)印製電路板上元器件的安裝
位於電路板邊緣的元器件,離電路板邊緣一般不小於2mm。
焊盤中心孔要比器件引線直徑稍大一些。焊盤太大易形成虛焊,受到振動與衝擊後會產生接觸不良。焊盤外徑D一般不小於(d+1.2)mm,其中d為引線孔徑。對高密度的數位電路,焊盤最小直徑可取(d+1.0)mm。
印製電路板上元器件的安裝
重量超過15g的元器件、或每一引頭重量 超過7克及直徑超過1.3厘時應夾緊或用其它方法固定在印製電路板上,然後焊接,以防止振動而引起疲勞斷裂。
印製電路板上元器件的安裝還可見上面有關元器件、積體電路、半導體器件的安裝等的安裝要求。
印製電路板緩衝設計只要要考慮兩個方面問題,一是印製電路板的尺寸,二是印製電路板安裝固定方式。
印製電路板尺寸
印製電路板尺寸越大,其諧振頻率就越低,防振特性也越差。如板面尺寸過大,必須對其進行加固設計,如增設肋條並將大而中的元器件盡可能安置在印製電路板的近固定端,以提高裝配板固有頻率,增加防振能力。
但也並非尺寸越小越好,還要兼顧其它特性,進行權衡設計,如果印製電路板尺寸過小,不能安裝下整個完整電路,對裝調會帶來困難,不便維修更換。同時,還會增加板數和接外掛程式,從而減低印製電路板的抗振緩衝性能,因為板數和接外掛程式必然增加受振動與衝擊後鬆動地方。
印製電路板抗振安裝
印製電路板在產品中應平行于振動與衝擊方向安裝,儘量避免垂直于振動與衝擊方向安裝。如果三個方向要同時經受到振動與衝擊,則應垂直于振動與衝擊最小的方向。
降低印製板上的振動影響。除採用約束阻尼處理技術外,如印製板上的插座與固定的插槽一定要緊配合。另外,還可以通過改變印製板的尺寸,安裝形式,元件在印製板上排列來改善印製板上的振動衝擊環境。
請參考 可靠性設計方法課程(Reliability Design Methods)http://www.musigmagroup.com/tw/showser-267.html