電子設備組裝與結構

按照電原理圖或邏輯圖把各種電子元件、器件和機電元件、器件以及機械結構合理地布局並可靠地互連和安裝起來，使其成為能應用和生產的設備，這種技術過程稱為電子設備的組裝，簡稱為電子組裝。為實現電子組裝，電子設備必須具有相應的結構。電子設備的結構是電子設備的重要組成部分，大體上分為兩類。第一類是組裝機械結構如插箱、機箱、機櫃、機架，以及走線槽、導軌、安裝支架等。其基本功能是作為各種元件、器件和連接線纜等組裝的場所和依託，用以實現電子設備的技術性能並便於生產、使用和維修。組裝機械結構的形式、尺寸和公差對電子設備的電氣性能和可靠性有重要作用。同時，在規定使用的外界環境下(如機械環境、電磁環境、生化環境和氣候環境等),所用機械結構能對電子設備起防護作用。另一類電子機械結構，如錄音機和錄像機的走帶機構，雷達和通信設備的天線結構、驅動和傳動系統以及計算機系統的外部設備等。這些機械結構，有的起傳遞和變換能量的作用，有的擔負著傳遞信息和變換信息形式的功能。它們的技術性能直接影響設備的電氣指標。例如，雷達天線的機械精度對雷達的指向精度和天線旁瓣性能有直接關係；波導元件的尺寸決定了使用頻段，其形狀決定這種元件的功能，其相對尺寸及其公差則與電性能（如阻抗、駐波係數）密切相關；又如在計算機的磁碟驅動器中採用的磁頭結構形式和材料，就限定了信息的存儲容量。根據互連和組裝層次，電子設備的組裝通常可分為元件級、插件級和插箱級等若干組裝級（見電子組裝級）。

典型的大型電子系統如雷達、衛星地球站等，是由幾十個機櫃、各種電纜、同軸線、傳輸線、天線、座架、驅動和傳動系統等組成，並組裝到車廂、艙室或機房中。

要實現電子組裝，就要進行電子設備的結構設計。結構設計的好壞將影響到電子設備的性能（包括設備的使用性、可靠性、維修性、藝術性、環境的適應性、工藝性和經濟性）。電子設備結構設計包括機械設計、熱設計、電氣設計和工業設計（人機工程和造型）等幾個方面。

發展簡況 20世紀初，由於電子管、各種元件、器件的發明和大量應用，形成了電子管設備的基本結構和組裝技術。40年代，出現了晶體管和印製電路，並在50～60年代得到廣泛使用。因此，電子設備的組裝和結構發生了很大變化。組裝密度成倍增加，設備體積大大縮小，電子設備的大量扎線被印製線路所替代，適應環境的能力也相應地提高。同一時期，雷達、計算機等先後出現，電子機械結構開始成為電子系統中重要組成部分。60年代，集成電路的發展使電子設備的組裝與結構又發生了大的變革，於是產生了一門綜合性新學科──電子組裝。這期間，通信衛星與空間技術的迅速興起和發展也推動了電子組裝技術和電子機械結構的發展。70年代，中、大規模集成電路的大量使用，印製線路向多層、高密度發展，以及厚、薄膜電路的廣泛應用，微電子組裝也相繼出現。70年代末，超大規模集成電路問世，技術更新的速度加快，縮短到十年之內就發生一次變化。80年代以後，電子系統的規模將會更大，複雜程度更高，可靠性、可維護性和智能化程度也更高，而內部基本單元將向微小型化、高密度、高性能、多功能、高精度、高可靠性發展。以80年代初期的計算機為例，微電子組裝基板層數和多層印製線路板層數已達30層以上，每個晶元含有的邏輯電路已達704個。元件失效率降到10-9以下，系統的故障間隔時間由原來的幾十小時提高到一千小時以上。

電子機械結構技術，是向高精度、高可靠性和高靈巧度的方向發展。比較突出的例子是，為適應深空探測和射電天文學研究的需要，大型天線（口徑10米以上）的表面誤差要達到0.1毫米以下，由此帶來的問題是表面精度的測量、高精度反射面板的加工以及對各種變形的控制技術。由於毫米波和亞毫米波頻率的開拓應用，提出了加工超精密機械結構的要求，必須使用現代化高速、大容量、高密度計算機。在超精密機械（包括驅動和傳動系統）加工方面出現了新的技術突破，使設計精度已達微米量級以下。機器人已進入應用階段，其靈巧程度正在日益提高。總之，現代電子機械已經是聲、光、電、生物以及機械等多種技術和多行業的綜合。

技術內容 電子設備組裝和結構涉及的主要技術內容有下列幾個方面。

電子組裝技術　根據設備的功能、元件和器件數量、組裝密度、環境要求、冷卻方式、外連引出線數以及工藝和材料來選擇合適的組裝方式，包括電路的劃分、元件和器件的布局和排列等。組裝方式應使設備性能優良而可靠，並便於維修、測試和生產。隨著元件、器件微小型化和超大規模集成電路的發展，一種新的組裝技術──微電子組裝已經興起，它是提高組裝密度的重要方向。

互連、連接和印製線路技術　電子系統中各單元之間的電氣連線稱為互連，接點處的接合稱為連接。互連和連接是組裝技術中非常重要的環節。印製線路仍是互連的主要手段，它正向多層、高密度、高性能、高精度和高生產率方向發展。接插件是各組裝級間連接的關鍵零件，其作用是保證電氣接觸的可靠性。傳統的連接都採用焊接，為了提高連接的可靠性，已發展出新的連接方式，如繞接和壓接等（見電子設備互連與連接）。

組裝結構　插件、插箱、機箱、機櫃和艙室等是電子組裝的場所。它應具有良好的電磁屏蔽、接地、散熱、剛度和強度等性能，對外界環境的影響應具備有效的防護作用，便於安裝、維修和操作並有美觀的造型等。它的設計涉及電磁兼容、熱設計、振動衝擊防護、人機工程、結構力學等學科的綜合應用。

電子設備的屏蔽與接地　電子設備中電路單元之間以及電子設備之間存在著通過電磁場感應的干擾和通過電源饋線和地線傳導的干擾。為防止電子設備的內部和外部的電磁干擾，在結構上應採取有效的屏蔽措施，設計合理的信號線走線布局和接地系統以及電源饋線（見電子設備屏蔽與接地）。

電子設備的熱控制　為保證電子設備在規定溫度範圍內正常工作，需要採取散熱、加熱和恆溫等措施。其中散熱是主要問題。散熱有自然冷卻、通風散熱、液體冷卻、蒸發冷卻、熱管傳熱和半導體致冷多種方式。對電子設備進行熱分析后，應選擇經濟有效的散熱措施(見電子設備熱控制)。

電子設備振動與衝擊的防護　為使電子設備在振動衝擊環境下不致失效，元件、器件的安裝應具有必要的抗震能力，同時還應採取減震裝置和阻尼結構等措施，以減少外界機械環境的影響。這些措施只有在合理地應用振動理論的基礎上才能收到良好的效果。（見電子設備振動與衝擊防護）。

電子設備的環境防護　電子設備在工作、運輸和儲存過程中，各種環境因素的作用可能導致性能降低甚至失效。環境包括氣候環境、機械環境、電磁環境和生物化學環境等。對於生物化學環境的防護，需要採取有效的防潮、防霉、防腐蝕的措施，如浸漬、密封、灌封、應用防霉劑和表面塗覆等（見電子設備環境防護）。

電子設備中的人機工程　設備的設計應考慮人的生理和心理特點，以充分發揮人的效率，以達到高效率、經濟、安全、省力和操作方便的目的。因此，對設備的造型和色調、控制台和顯示裝置設計（顯示裝置的選擇、刻度盤設計、最佳的刻度線和字元的選擇、儀錶盤的布置等）、操縱裝置設計、工作面的安排、可維修性設計、工作環境設計及照明等，需要應用人機工程學的理論，以充分發揮人機系統的綜合效果(見電子設備人機工程學)。

電子設備的機械結構　包括傳動裝置、控制機構、天線結構、天線座架、天線罩和計算機外部設備中的精密機械等設計。天線結構和天線罩不同於一般工程結構，其結構型式、結構布局甚至尺寸的選擇，都必須考慮到電性能的要求。機械結構是電磁場理論與計算結構力學相結合的邊緣學科。同樣，電子精密機械也必須考慮結構參數對電性能的影響。例如，伺服傳動裝置中的齒隙、摩擦、慣量、彈性等對伺服系統性能的影響；天線系統固有頻率限制了伺服系統的帶寬，從而影響到伺服系統的動態誤差。因此，電子精密機械是電子學和機械學相結合的邊緣學科，某些情況下還牽涉到光學、磁學和聲學。

可靠性問題　現代電子系統規模日益龐大，元件、器件用量多，組裝密度高，功能多，加之系統的自動化和智能化程度高，某一環節稍有故障，就會造成整個系統失靈，對於軍事電子設備尤為重要。因此，開展電子設備可靠性諸因素的研究，判定可靠性標準和進行可靠性工程設計是十分重要的課題。

電子設備的標準化、系列化、通用化、模塊化（積木化）這方面的研究工作對於保證電子設備的質量穩定、加速研製進度、大批量生產和提高經濟效益，具有非常重要的意義。

電子設備的組裝和結構問題涉及到電子學、機械學、化學、力學、電化學、材料科學、固體物理學、厚、薄膜技術、微電子技術、計算機技術以及聲、光、電、磁、熱等一系列學科的技術及其成就。特別是隨著計算機技術的迅速發展，人們已開始採用計算機輔助設計，計算機輔助製圖，計算機輔助布線，計算機輔助製造等先進工藝，以改進和優化電子設備組裝與結構的性能，提高電子設備的生產效率和可靠性。

參考書目

C.A.Harper,Handbook　of Electronic Packaging,McGraw-Hill,New York,1969.

S.Bernard,P.E.Matisoff,Handbook of　Electronic　Packaging Design　and Engineering,Van NorstrandReinhold Co.,New York,1982.