納米材料簡單組裝結(jié)構(gòu)的電子輸運理論

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(jié)構(gòu)合理地布局并可靠地互連和安裝起來,使其成為能應(yīng)用和生產(chǎn)的設(shè)備,這種技術(shù)過程稱為電子設(shè)備的組裝，簡稱為電子組裝。為實現(xiàn)電子組裝，電子設(shè)備必須具有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)是電子設(shè)備的重要組成部分，大體上分為兩類。第一類是組裝機械結(jié)構(gòu)如插箱、機箱、機柜、機架，以及走線槽、導(dǎo)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托，用以實現(xiàn)電子設(shè)備的技術(shù)性能并便于生產(chǎn)、使用和維修。組裝機械結(jié)構(gòu)的形式、尺寸和公差對電子設(shè)備的電氣性能和可靠性有重要作用。同時,在規(guī)定使用的外界環(huán)境下(如機械環(huán)境、電磁環(huán)境、生化環(huán)境和氣候環(huán)境等),所用機械結(jié)構(gòu)能對電子設(shè)備起防護作用。另一類電子機械結(jié)構(gòu)，如錄音機和錄像機的走帶機構(gòu)，雷達和通信設(shè)備的天線結(jié)構(gòu)、驅(qū)動和傳動系統(tǒng)以及計算機系統(tǒng)的外部設(shè)備等。這些機械結(jié)構(gòu)，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(shù)性能直接影響設(shè)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(guān)系;波導(dǎo)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、駐波系數(shù))密切相關(guān);又如在計算機的磁盤驅(qū)動器中采用的磁頭結(jié)構(gòu)形式和材料,就限定了信息的存儲容量。根據(jù)互連和組裝層次,電子設(shè)備的組裝通?？煞譃樵?、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(tǒng)如雷達、衛(wèi)星地球站等，是由幾十個機柜、各種電纜、同軸線、傳輸線、天線、座架、驅(qū)動和傳動系統(tǒng)等組成，并組裝到車廂、艙室或機房中。

要實現(xiàn)電子組裝，就要進行電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計。結(jié)構(gòu)設(shè)計的好壞將影響到電子設(shè)備的性能(包括設(shè)備的使用性、可靠性、維修性、藝術(shù)性、環(huán)境的適應(yīng)性、工藝性和經(jīng)濟性)。電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計包括機械設(shè)計、熱設(shè)計、電氣設(shè)計和工業(yè)設(shè)計(人機工程和造型)等幾個方面。

發(fā)展簡況 20世紀初，由于電子管、各種元件、器件的發(fā)明和大量應(yīng)用，形成了電子管設(shè)備的基本結(jié)構(gòu)和組裝技術(shù)。40年代,出現(xiàn)了晶體管和印制電路,并在50~60年代得到廣泛使用。因此，電子設(shè)備的組裝和結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化。組裝密度成倍增加，設(shè)備體積大大縮小，電子設(shè)備的大量扎線被印制線路所替代，適應(yīng)環(huán)境的能力也相應(yīng)地提高。同一時期，雷達、計算機等先后出現(xiàn)，電子機械結(jié)構(gòu)開始成為電子系統(tǒng)中重要組成部分。60年代，集成電路的發(fā)展使電子設(shè)備的組裝與結(jié)構(gòu)又發(fā)生了大的變革，于是產(chǎn)生了一門綜合性新學科──電子組裝。這期間，通信衛(wèi)星與空間技術(shù)的迅速興起和發(fā)展也推動了電子組裝技術(shù)和電子機械結(jié)構(gòu)的發(fā)展。70年代,中、大規(guī)模集成電路的大量使用，印制線路向多層、高密度發(fā)展，以及厚、薄膜電路的廣泛應(yīng)用，微電子組裝也相繼出現(xiàn)。70年代末，超大規(guī)模集成電路問世，技術(shù)更新的速度加快，縮短到十年之內(nèi)就發(fā)生一次變化。80年代以后,電子系統(tǒng)的規(guī)模將會更大,復(fù)雜程度更高,可靠性、可維護性和智能化程度也更高，而內(nèi)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(fā)展。以80年代初期的計算機為例，微電子組裝基板層數(shù)和多層印制線路板層數(shù)已達30層以上，每個芯片含有的邏輯電路已達704個。元件失效率降到10-9以下，系統(tǒng)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(jié)構(gòu)技術(shù)，是向高精度、高可靠性和高靈巧度的方向發(fā)展。比較突出的例子是，為適應(yīng)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(shù)。由于毫米波和亞毫米波頻率的開拓應(yīng)用，提出了加工超精密機械結(jié)構(gòu)的要求，必須使用現(xiàn)代化高速、大容量、高密度計算機。在超精密機械(包括驅(qū)動和傳動系統(tǒng))加工方面出現(xiàn)了新的技術(shù)突破，使設(shè)計精度已達微米量級以下。機器人已進入應(yīng)用階段，其靈巧程度正在日益提高。總之，現(xiàn)代電子機械已經(jīng)是聲、光、電、生物以及機械等多種技術(shù)和多行業(yè)的綜合。

技術(shù)內(nèi)容 電子設(shè)備組裝和結(jié)構(gòu)涉及的主要技術(shù)內(nèi)容有下列幾個方面。

電子組裝技術(shù) 根據(jù)設(shè)備的功能、元件和器件數(shù)量、組裝密度、環(huán)境要求、冷卻方式、外連引出線數(shù)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(yīng)使設(shè)備性能優(yōu)良而可靠,并便于維修、測試和生產(chǎn)。隨著元件、器件微小型化和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，一種新的組裝技術(shù)──微電子組裝已經(jīng)興起，它是提高組裝密度的重要方向。

互連、連接和印制線路技術(shù) 電子系統(tǒng)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(shù)中非常重要的環(huán)節(jié)。印制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(chǎn)率方向發(fā)展。接插件是各組裝級間連接的關(guān)鍵零件，其作用是保證電氣接觸的可靠性。傳統(tǒng)的連接都采用焊接，為了提高連接的可靠性，已發(fā)展出新的連接方式，如繞接和壓接等(見電子設(shè)備互連與連接)。

組裝結(jié)構(gòu) 插件、插箱、機箱、機柜和艙室等是電子組裝的場所。它應(yīng)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(huán)境的影響應(yīng)具備有效的防護作用，便于安裝、維修和操作并有美觀的造型等。它的設(shè)計涉及電磁兼容、熱設(shè)計、振動沖擊防護、人機工程、結(jié)構(gòu)力學等學科的綜合應(yīng)用。

電子設(shè)備的屏蔽與接地 電子設(shè)備中電路單元之間以及電子設(shè)備之間存在著通過電磁場感應(yīng)的干擾和通過電源饋線和地線傳導(dǎo)的干擾。為防止電子設(shè)備的內(nèi)部和外部的電磁干擾，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)采取有效的屏蔽措施，設(shè)計合理的信號線走線布局和接地系統(tǒng)以及電源饋線(見電子設(shè)備屏蔽與接地)。

電子設(shè)備的熱控制 為保證電子設(shè)備在規(guī)定溫度范圍內(nèi)正常工作，需要采取散熱、加熱和恒溫等措施。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(fā)冷卻、熱管傳熱和半導(dǎo)體致冷多種方式。對電子設(shè)備進行熱分析后,應(yīng)選擇經(jīng)濟有效的散熱措施(見電子設(shè)備熱控制)。

電子設(shè)備振動與沖擊的防護 為使電子設(shè)備在振動沖擊環(huán)境下不致失效，元件、器件的安裝應(yīng)具有必要的抗震能力,同時還應(yīng)采取減震裝置和阻尼結(jié)構(gòu)等措施,以減少外界機械環(huán)境的影響。這些措施只有在合理地應(yīng)用振動理論的基礎(chǔ)上才能收到良好的效果。(見電子設(shè)備振動與沖擊防護)。

電子設(shè)備的環(huán)境防護 電子設(shè)備在工作、運輸和儲存過程中，各種環(huán)境因素的作用可能導(dǎo)致性能降低甚至失效。環(huán)境包括氣候環(huán)境、機械環(huán)境、電磁環(huán)境和生物化學環(huán)境等。對于生物化學環(huán)境的防護，需要采取有效的防潮、防霉、防腐蝕的措施，如浸漬、密封、灌封、應(yīng)用防霉劑和表面涂覆等(見電子設(shè)備環(huán)境防護)。

電子設(shè)備中的人機工程 設(shè)備的設(shè)計應(yīng)考慮人的生理和心理特點,以充分發(fā)揮人的效率,以達到高效率、經(jīng)濟、安全、省力和操作方便的目的。因此，對設(shè)備的造型和色調(diào)、控制臺和顯示裝置設(shè)計(顯示裝置的選擇、刻度盤設(shè)計、最佳的刻度線和字符的選擇、儀表盤的布置等)、操縱裝置設(shè)計、工作面的安排、可維修性設(shè)計、工作環(huán)境設(shè)計及照明等,需要應(yīng)用人機工程學的理論,以充分發(fā)揮人機系統(tǒng)的綜合效果(見電子設(shè)備人機工程學)。

電子設(shè)備的機械結(jié)構(gòu) 包括傳動裝置、控制機構(gòu)、天線結(jié)構(gòu)、天線座架、天線罩和計算機外部設(shè)備中的精密機械等設(shè)計。天線結(jié)構(gòu)和天線罩不同于一般工程結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)型式、結(jié)構(gòu)布局甚至尺寸的選擇，都必須考慮到電性能的要求。機械結(jié)構(gòu)是電磁場理論與計算結(jié)構(gòu)力學相結(jié)合的邊緣學科。同樣，電子精密機械也必須考慮結(jié)構(gòu)參數(shù)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(tǒng)性能的影響;天線系統(tǒng)固有頻率限制了伺服系統(tǒng)的帶寬，從而影響到伺服系統(tǒng)的動態(tài)誤差。因此，電子精密機械是電子學和機械學相結(jié)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(xiàn)代電子系統(tǒng)規(guī)模日益龐大，元件、器件用量多，組裝密度高，功能多，加之系統(tǒng)的自動化和智能化程度高，某一環(huán)節(jié)稍有故障，就會造成整個系統(tǒng)失靈，對于軍事電子設(shè)備尤為重要。因此，開展電子設(shè)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(shè)計是十分重要的課題。

電子設(shè)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于保證電子設(shè)備的質(zhì)量穩(wěn)定、加速研制進度、大批量生產(chǎn)和提高經(jīng)濟效益，具有非常重要的意義。

電子設(shè)備的組裝和結(jié)構(gòu)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(shù)、微電子技術(shù)、計算機技術(shù)以及聲、光、電、磁、熱等一系列學科的技術(shù)及其成就。特別是隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，人們已開始采用計算機輔助設(shè)計，計算機輔助制圖，計算機輔助布線，計算機輔助制造等先進工藝，以改進和優(yōu)化電子設(shè)備組裝與結(jié)構(gòu)的性能，提高電子設(shè)備的生產(chǎn)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.