空間電子設備電路板可靠性可測試性設計檢查

摘 要：為了提高空間電子設備可靠性和可測試性設計的工作質量，采取在印制電路板生產前對其進行可靠性和可測試性設計檢查的方法，可以提前在產品研發設計階段發現可靠性和可測試性設計的不足，有針對性的加以改進，就能進一步提高產品質量與可靠性。列舉了印制電路板可靠性可測試性設計檢查要點，具有實際工程應用價值。

關鍵詞：空間電子設備； 電路板； 可靠性設計； 可測試性設計； 檢查

中圖分類號：

TN21-34

文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)19

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Reliability and Testability Design Check for Circuit Board of Space Electronic Equipment

QU Li-xin

(Changchun Institute of Optics， Fine Mechanics and Physics， Chinese Academy of Sciences， Changchun 130033， China)

Abstract： In order to improve the quality of reliability and testability design for space electronic equipment， the method of reliability and testability design check before printed circuit board manufacture is proposed. Thus， the disadvantages of reliability and testability in the process of research and development can be found as soon as possible for which the design can be changed properly to improve the quality and reliability of products. The key points of design check of reliability and testability for printed circuit board are listed. These points are valuable for engineering application.

Keywords： space electronic equipment; printed circuit board; reliability design; testability design; check

收稿日期：2011-04-02

基金項目：國家自然科學基金支持(61036015)

0 引 言

空間環境是除陸地、海洋和大氣以外人類生存的第四個環境。空間環境中所說的空間通常指地面上幾十千米高度以上的廣大宇宙區域。主要的空間環境要素有：中性大氣、電離層等離子體、地球基本磁場、高能帶電粒子(太陽宇宙線、地球輻射帶、銀河宇宙線)和空間碎片、流星體等［1］。

空間電子設備經歷的環境非常復雜，包括氣動力、振動、噪聲、加速度、沖擊、微流星、真空、冷黑、太陽輻射、磁場、原子氧、等離子體、質子、電子等。在設備研制過程中，對這些因素完全考慮是不可能的也是沒有必要的，但空間電子設備作為飛行器的有效載荷，上述環境因素對其高可靠的完成工作任務產生巨大影響［1］。

空間電子設備的可靠性設計包括：熱設計、電磁兼容設計、抗輻射環境設計、抗力學環境設計、靜電放電控制設計、元器件降額設計等6個方面。

空間電子設備以印制電路板(PCB)為主要裝配方式，而印制電路板設計是電路原理圖變成電子產品的關鍵設計工序，其可靠性可測試性設計與產品質量緊密相關。對于從事空間電子設備設計的工程人員來說，印制電路板設計的可靠性和可測試性是印制線路板設計的重要內容。事實證明，即使電路原理圖設計正確，但印制電路板設計不合理，會對電子設備的質量與可靠性產生巨大的不利影響［2-5］。

1 電路板(PCB)可靠性設計檢查

1.1 PCB熱設計檢查

電子器件熱設計的目的是確保元器件工作在允許的溫度范圍內，確保元器件的結溫低于降額設計后允許的最高結溫，以提高元器件的可靠性。

由于空間設備工作在真空狀態，沒有空氣對流的傳導散熱路徑，只有金屬傳導和輻射散熱方式，所以將元器件產生的熱量導入到與電路板緊密相連的金屬殼體上，通過散熱良好的殼體(金屬框架)，增加散熱表面積降低器件的工作溫度。PCB熱設計檢查要點如下：

(1) 根據電子學設計的邊界條件(空間真空環境)，對重點發熱元器件在印制電路板的位置和發熱等情況，建立數學模型，進行EDA仿真熱分析，計算元器件、印制板的溫度，檢驗元器件工作溫度范圍是否滿足要求，檢驗元器件的結溫是否滿足降額要求；

(2) 發熱量大的元器件通過熱管等散熱器件將熱量引出，元器件的散熱途徑(導熱散熱途徑和輻射散熱途徑)是否通暢和連貫，同時，應盡可能使導熱路徑最短；

(3) 對于熱功耗大的元器件，應在器件下面與電路板接地部分設計熱過孔，填充金屬材料，實現熱傳導功能；

(4) 應選擇導熱性能良好、熱穩定性好、耐溫范圍寬的印制電路板。

1.2 PCB電磁兼容設計檢查

電磁兼容性是指電子設備在各種電磁環境中仍能夠協調、有效地進行工作的能力。電磁兼容性設計的目的是使電子設備既能抑制各種外來的干擾，使電子設備在特定的電磁環境中能夠正常工作，同時又能減少電子設備本身對其他電子設備的電磁干擾。印制電路板的電磁兼容設計是電子設備電磁兼容設計的基礎，為提高空間電子設備的電磁兼容能力，應盡量設計多層印制電路板［2，6-8］。PCB電磁兼容設計檢查要點如下：

(1) 電路板上既有高速邏輯電路、又有線性電路，應使它們盡量分開，而兩者的地線不能相混，分別與電源端地線相連，要盡量加大線性電路的接地面積；低頻電路的地應盡量采用單點并聯接地，實際布線有困難時可部分串聯后再并聯接地；高頻電路宜采用多點串聯接地，地線應短而租。高頻元件周圍盡量鋪設柵格狀大面積地箔；

(2) 高低壓電路之間要進行隔離。在許多印制電路板上同時有高壓電路和低壓電路，高壓電路部分的元器件與低壓部分的元器件要分隔開放置。為避免高壓放電，在印制電路板上的高低壓電路之間還需開槽進行隔離；

(3) 要把模擬信號部分、高速數字電路部分、噪聲源部分合理地分開，使相互間的信號耦合為最小；

(4) 時鐘、振蕩器等高電平電路應與低電平、高敏感電路隔離；

(5) 印制電路板時鐘導線、差分對導線、視頻導線、音頻導線、復位導線等易產生串擾和耦合的信號線的寬度和間距，應符合3 W原則，即導線間距離間隔(導線中心間的距離)必須是單一導線寬度的3倍。一般情況下最小導線寬度應不小于0.15 mm，導線間距應不小于0.20 mm，有條件的情況下盡量放寬［9-11］；

(6) 在印制電路板的各個關鍵部位配置適當的退藕電容：電源輸人端跨接10~100 μF的電解電容器；

每個集成電路芯片都應布置一個0.01 pF的瓷片電容，如遇印制板空間不夠，可每4～8個芯片布置一個1～10 pF的鉭電容；

對于抗噪能力弱、關斷時電源變化大的器件，如RAM，ROM存儲器件，應在芯片電源線和地線之間直接接入退藕電容；電容引線不能太長，尤其是高頻旁路電容不能有引線。

(7) 對電磁敏感和易發射電磁信號的元器件，要設計屏蔽罩，屏蔽罩應可靠接地。

1.3 PCB環境適應性設計檢查

為了適應航天火箭發射(變軌、火工品爆炸沖擊等)飛行中的氣動力激勵、發動機的振動激勵等隨機振動激勵的影響，而提出對空間電子設備的振動、沖擊等環境適應性要求。電子設備在振動和沖擊環境下，由于振動的疲勞效應及共振現象，可能出現電性能下降、零部件失效、疲勞損傷甚至損壞的現象。提高裝備印制電路板抗振動沖擊能力，是保證產品性能和可靠性的重要手段。

PCB抗環境設計檢查要點如下：

(1) 對質量大的元器件或散熱片或導熱管等和有拔插力的接插件，應設置元器件支撐孔，以便采取局部或整體加固措施；

(2) 印制電路板加金屬框架；

(3) 印制電路板元器件采用硅膠等固封措施；

(4) 印制電路板箱采取減振措施；

(5) 為防止空間高能粒子對COMS電路的干擾，檢查采取抗閂鎖措施情況和采用屏蔽材料進行防護情況。

1.4 PCB防靜電設計檢查

設計空間電子設備時，設計人員要了解所用電子元器件的靜電放電(ESD)敏感度的情況，然后進行靜電防護設計。在設計文件和圖樣中要明確標明器件的靜電放電敏感度級別要求和對電裝過程中的靜電防護要求。

PCB抗靜電設計檢查要點如下：

(1) 為提高靜電放電的損傷閾值，在MOS器件的輸入端，應設置RC網絡；

(2) 安裝在印制電路板上的靜電敏感器件的引出端，應設置串聯電阻等保護裝置，切不應與印制板連接器直接相連；

(3) 靜電敏感器件管腳的設計，應便于電裝人員焊接；

(4) 集成電路未使用的管腳是如何處理的，有懸空的嗎，要確保每一個管腳(通過軟件或硬件設置)都有一個確認的確定邏輯狀態。

1.5 PCB電裝可生產性檢查

電路板設計必須考慮其可制造性，對空間電子設備印制電路板來說，由于單機數量有限，幾乎都是電裝人員手工焊接完成，因而設計人員要了解電裝工藝和電裝生產過程，這樣才能更好地提高印制電路板電裝過程的可靠性。

電裝可生產性檢查要點如下：

(1) 元器件布局是否合理，元器件之間應留有足夠的距離，以便于電裝焊接和維修更換器件；

(2) 元器件距離印制電路板的邊緣至少3 mm，以便于傳送；

(3) 印制板焊盤尺寸應與元器件的封裝嚴格對應，避免器件管腳與焊盤不匹配的情況；

(4) 有部分印制板器件封裝焊盤引腳對手工焊接來說，稍短，應適當加長；

(5) 有極性的元器件應在印制板上清楚標明極性；

(6) 對于BGA等球柵陣列封裝的超大規模集成電路，只能采用設備進行焊接。

1.6 PCB的性能等級檢查

按GJB 4057-2000要求，印制電路板性能等級應選用3級，3級印制電路板組裝后有完整的功能，長的工作壽命，連續工作和高的可靠性，在使用中不允許發生任何故障［2］。

1.7 PCB標識檢查

空間設備印制電路板上應有惟一、清晰的標識；主備板標識應不同。

對于引腳較多、引腳間距小的單個元器件，應設置局部基準標志，放置在元器件對角線對稱方向的位置上。

2 電路板(PCB)可測試性設計檢查

可測試性就是指測試人員用盡可能簡單的方法來檢測某個器件或部件是否正常工作的特性。在設計電路板時就考慮可測試性，可以大大降低測試的難度，并極大的提高測試效率。空間電子設備由于在軌工作后的不可維修性，需要更加重視設計及聯調階段的可測試工作［2，11-12］。

PCB可測試性設計檢查要點如下：

(1) PCB上至少要有2個或2個以上的定位孔，以便于電路板定位；定位孔的直徑在3～5 mm之間，定位孔在電路板上位置不能對稱；

(2) 對于PCB上電源和地的測試點，要求每根測試針最大可以承受2 A的電流；每增加2 A的電流，就需要對電源和地多提供一個測試點；

(3) 一般要求每5個集成電路芯片提供1個地線測試點，這樣可以很好地監測相應電路的工作狀態；

(4) 測試點的形狀、大小應符合規范，建議選擇方形焊盤或圓形焊盤，方形焊盤尺寸不小于1 mm×1 mm，圓形焊盤尺寸以Ф2.0 mm為標準；

(5) 測試點應標注清楚；

(6) 不能將元器件的焊盤或元器件的管腳作為測試點；

(7) 兩個測試點間距應大于2.54 mm，測試點與元器件的間距應大于2.54 mm，測試點與定位孔的距離應大于0.5 mm，測試點到PCB邊緣的距離應大于3.157 mm。

(8) 低壓測試點和高壓測試點的間距應符合安全

規范要求，以避免危險發生；

(9) 測試點的密度不能大于4～5個/mm2，要均勻分布；

(10) 測試點應有保護，對地短路應不會引起損壞；

(11) 根據具體電路情況，為便于測試，可將測試點引到電連接器或電纜上進行測試；

(12) 測試點不能被其他焊盤或膠等覆蓋，這樣可保證測試探針的可靠接觸。

3 結 語

我國是一個發展中的大國，面臨極為復雜的國際環境，發展航天產業具有重大意義。航天產品對質量與可靠性要求極高，空間電子設備是航天工程必不可少的裝備，其可靠性設計尤為重要。印制電路板設計是電路原理圖變成電子產品的關鍵，是各種大規模電子元器件的載體，是電氣互聯的基礎，沒有印制電路板的高可靠性設計，再先進的電路設計也無法實現其戰術技術指標。對空間電子設備印制電路板進行可靠性和可測試性檢查，可以在產品研發設計階段發現可靠性設計的不足，提前發現問題，針對不足加以改進，能有效地提高航天產品質量與可靠性［1，3］。

參 考 文 獻

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