PCB設計工廠：堅固耐用的電子設計包括哪些內(nèi)容？

嘗試在網(wǎng)上搜索“三防電子產(chǎn)品”，你可能會發(fā)現(xiàn)很多顯示人們踩智能手機的視頻。 堅固的電子設備需要承受機械沖擊，但堅固的系統(tǒng)不僅僅能承受人行道上的跌落。 這不僅涉及外殼設計，還涉及元件選擇和制造選擇。

軍用航空設計人員經(jīng)常使用“惡劣環(huán)境”一詞來描述許多考驗電子設備可靠性和壽命的場景。 如果您希望您的下一款產(chǎn)品真正堅固耐用，那么在 PCB 布局中采用他們的一些策略會有所幫助。 在本文中，我們將研究軍用航空設計以及工業(yè)設計中使用的一些設計策略。

堅固型電子產(chǎn)品的惡劣環(huán)境是什么？

一些行業(yè)標準中定義的術(shù)語“環(huán)境”可以指從實際環(huán)境條件（溫度、濕度等）到機械環(huán)境（例如振動）或電氣環(huán)境（噪聲、ESD 電位）的任何事物。 堅固耐用的電子設備通常設計為能夠承受惡劣環(huán)境中常見的一種或多種條件：

溫度過高或過低

• 極端且頻繁的溫度循環(huán)

• 濕度和高/低壓

• 機械振動或沖擊

• 高電壓/電流放電

• 顆粒物，例如灰塵

• 氧化性或爆炸性氣體

這是一個非常廣泛且令人難以置信的清單。 通常，您無法設計單個設備來承受上述列表中的所有因素。 惡劣的環(huán)境很難應對，因為有很多因素會損壞電子設備。 這些問題可能會影響電路板、元件、整個PCBA或以上所有。

下表總結(jié)了您可以在設計中實施的一些解決方案，以使其更加穩(wěn)健并能夠更好地承受上面列出的環(huán)境因素。

• 環(huán)境因素

• 設計策略

• 高溫

• 傳導冷卻組合（機箱/散熱器），使用熱界面材料和風扇，擴散熱量組件，使用陶瓷或金屬芯PCB板，液體冷卻

• 低溫

• 使用入口保護防止冷凝，并使用直流電加熱使組件保持在正常工作溫度范圍內(nèi)

• 極端熱循環(huán)

• 使用高 Tg 層壓板，不要使用堆疊通孔。

• 高壓環(huán)境

還計劃針對極端溫度進行設計，選擇不會內(nèi)爆的適當組件，涂敷保形涂層，并用惰性氣體或絕緣液體填充外殼。

機械振動或沖：盡可能選擇通孔元件，設計電路板，使最低諧振頻率至少是預期沖擊頻率的三倍，將大型IC直接焊接到電路板上，而不是使用插座或網(wǎng)格陣列。

釋放：

接地要靠近機箱和TVS接地，并使用ESD保護電路。

顆粒物：

采用三防漆防止ESD，采用高壓密封外殼防止顆粒進入。

濕氣或氧化氣體腐蝕：

使用具有適當化學成分的保形涂料來設計具有高壓等級的密封外殼。

爆炸性氣體：

消除任何在運行過程中可能產(chǎn)生預期火花的組件（例如繼電器），并采取 ESD 保護措施。

從上表可以清楚地看出，鋼筋跨越了板層。 有些解決方案只能在板級實現(xiàn)，而另一些則需要考慮從板卡到元件和外殼的各個方面。 管理這些解決方案的一些行業(yè)標準包括：

• 入侵保護 (IP) 標準，用于限制堅固型電子設備中的濕氣入侵。

• MIL-S-901D，規(guī)定了船載設備高沖擊機械沖擊的要求。

• MIL-STD-810G，規(guī)定了商用軍事設備的測試要求。

• 美國電氣制造商協(xié)會 (NEMA)，指定外殼、機柜和外殼。

• 美國國家消防協(xié)會 (NFPA)，規(guī)定了特定環(huán)境中電子設備的一系列要求，以確保滅火或遏制火災。

• 潛在爆炸性環(huán)境 (ATEX)、NFPA 497 和 HazLoc 規(guī)定了在含有爆炸性氣體的環(huán)境中部署設備時防止爆炸的設計要求。

您的外殼和安裝方法很重要

到目前為止，我們只討論了電氣設計、物理布局和 PCBA。 顯然，設計堅固的電子產(chǎn)品需要的不僅僅是在 PCB 板周圍放置較厚的塑料外殼并完成工作。 外殼、電路板安裝方法和固定裝置將在確定可靠性和應對上面列出的一些環(huán)境因素方面發(fā)揮重要作用。

解決機械沖擊和振動以及潛在的電/熱因素的一個簡單方法是使用減震器。

外殼設計和安裝的其他方面需要考慮您需要解決的特定環(huán)境因素。 適應高壓氣體環(huán)境不會使用與高壓液體環(huán)境相同的策略，盡管兩者都是依賴于壓力均衡的殼級解決方案。 強大的電子設計就是一個很好的例子。 電氣設計團隊需要與機械團隊密切溝通，以確保加固策略不會干擾電氣要求。

關(guān)于堅固型電子產(chǎn)品的最終想法

關(guān)于堅固型電子設備，我可以給出的最后一條建議是，您不會總是在包含整個惡劣環(huán)境列表的場景中部署設備。 因此，設計堅固型電子產(chǎn)品的第一步是考慮可能損壞產(chǎn)品的特定環(huán)境因素，并在設計時注意這些因素。 例如，如果您主要關(guān)心溫度循環(huán)，則不必擔心設計氧化氣體保護（盡管您可能會獲得這種保護作為附帶好處）。 通過專注于對您的設計重要的內(nèi)容，您仍然可以生產(chǎn)出緊湊且經(jīng)濟高效的產(chǎn)品。

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