PCB设计工厂：坚固耐用的电子设计包括哪些内容？

PCB设计工厂：坚固耐用的电子设计包括哪些内容？

尝试在网上搜索“三防电子产品”，你可能会发现很多显示人们踩智能手机的视频。 坚固的电子设备需要承受机械冲击，但坚固的系统不仅仅能承受人行道上的跌落。 这不仅涉及外壳设计，还涉及元件选择和制造选择。

军用航空设计人员经常使用“恶劣环境”一词来描述许多考验电子设备可靠性和寿命的场景。 如果您希望您的下一款产品真正坚固耐用，那么在 PCB 布局中采用他们的一些策略会有所帮助。 在本文中，我们将研究军用航空设计以及工业设计中使用的一些设计策略。

坚固型电子产品的恶劣环境是什么？

一些行业标准中定义的术语“环境”可以指从实际环境条件（温度、湿度等）到机械环境（例如振动）或电气环境（噪声、ESD 电位）的任何事物。 坚固耐用的电子设备通常设计为能够承受恶劣环境中常见的一种或多种条件：

温度过高或过低

• 极端且频繁的温度循环

• 湿度和高/低压

• 机械振动或冲击

• 高电压/电流放电

• 颗粒物，例如灰尘

• 氧化性或爆炸性气体

这是一个非常广泛且令人难以置信的清单。 通常，您无法设计单个设备来承受上述列表中的所有因素。 恶劣的环境很难应对，因为有很多因素会损坏电子设备。 这些问题可能会影响电路板、元件、整个PCBA或以上所有。

下表总结了您可以在设计中实施的一些解决方案，以使其更加稳健并能够更好地承受上面列出的环境因素。

• 环境因素

• 设计策略

• 高温

• 传导冷却组合（机箱/散热器），使用热界面材料和风扇，扩散热量组件，使用陶瓷或金属芯PCB板，液体冷却

• 低温

• 使用入口保护防止冷凝，并使用直流电加热使组件保持在正常工作温度范围内

• 极端热循环

• 使用高 Tg 层压板，不要使用堆叠通孔。

• 高压环境

还计划针对极端温度进行设计，选择不会内爆的适当组件，涂敷保形涂层，并用惰性气体或绝缘液体填充外壳。

机械振动或冲：尽可能选择通孔元件，设计电路板，使最低谐振频率至少是预期冲击频率的三倍，将大型IC直接焊接到电路板上，而不是使用插座或网格阵列。

释放：

接地要靠近机箱和TVS接地，并使用ESD保护电路。

颗粒物：

采用三防漆防止ESD，采用高压密封外壳防止颗粒进入。

湿气或氧化气体腐蚀：

使用具有适当化学成分的保形涂料来设计具有高压等级的密封外壳。

爆炸性气体：

消除任何在运行过程中可能产生预期火花的组件（例如继电器），并采取 ESD 保护措施。

从上表可以清楚地看出，钢筋跨越了板层。 有些解决方案只能在板级实现，而另一些则需要考虑从板卡到元件和外壳的各个方面。 管理这些解决方案的一些行业标准包括：

• 入侵保护 (IP) 标准，用于限制坚固型电子设备中的湿气入侵。

• MIL-S-901D，规定了船载设备高冲击机械冲击的要求。

• MIL-STD-810G，规定了商用军事设备的测试要求。

• 美国电气制造商协会 (NEMA)，指定外壳、机柜和外壳。

• 美国国家消防协会 (NFPA)，规定了特定环境中电子设备的一系列要求，以确保灭火或遏制火灾。

• 潜在爆炸性环境 (ATEX)、NFPA 497 和 HazLoc 规定了在含有爆炸性气体的环境中部署设备时防止爆炸的设计要求。

您的外壳和安装方法很重要

到目前为止，我们只讨论了电气设计、物理布局和 PCBA。 显然，设计坚固的电子产品需要的不仅仅是在 PCB 板周围放置较厚的塑料外壳并完成工作。 外壳、电路板安装方法和固定装置将在确定可靠性和应对上面列出的一些环境因素方面发挥重要作用。

解决机械冲击和振动以及潜在的电/热因素的一个简单方法是使用减震器。

外壳设计和安装的其他方面需要考虑您需要解决的特定环境因素。 适应高压气体环境不会使用与高压液体环境相同的策略，尽管两者都是依赖于压力均衡的壳级解决方案。 强大的电子设计就是一个很好的例子。 电气设计团队需要与机械团队密切沟通，以确保加固策略不会干扰电气要求。

关于坚固型电子产品的最终想法

关于坚固型电子设备，我可以给出的最后一条建议是，您不会总是在包含整个恶劣环境列表的场景中部署设备。 因此，设计坚固型电子产品的第一步是考虑可能损坏产品的特定环境因素，并在设计时注意这些因素。 例如，如果您主要关心温度循环，则不必担心设计氧化气体保护（尽管您可能会获得这种保护作为附带好处）。 通过专注于对您的设计重要的内容，您仍然可以生产出紧凑且经济高效的产品。

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