纳米材料简单组装结构的电子输运理论

按照电原理图或逻辑图把各种电子元件、器件和机电元件、器件以及机械结构合理地布局并可靠地互连和安装起来,使其成为能应用和生产的设备,这种技术过程称为电子设备的组装，简称为电子组装。为实现电子组装，电子设备必须具有相应的结构。电子设备的结构是电子设备的重要组成部分，大体上分为两类。第一类是组装机械结构如插箱、机箱、机柜、机架，以及走线槽、导轨、安装支架等。其基本功能是作为各种元件、器件和连接线缆等组装的场所和依托，用以实现电子设备的技术性能并便于生产、使用和维修。组装机械结构的形式、尺寸和公差对电子设备的电气性能和可靠性有重要作用。同时,在规定使用的外界环境下(如机械环境、电磁环境、生化环境和气候环境等),所用机械结构能对电子设备起防护作用。另一类电子机械结构，如录音机和录像机的走带机构，雷达和通信设备的天线结构、驱动和传动系统以及计算机系统的外部设备等。这些机械结构，有的起传递和变换能量的作用，有的担负着传递信息和变换信息形式的功能。它们的技术性能直接影响设备的电气指标。例如，雷达天线的机械精度对雷达的指向精度和天线旁瓣性能有直接关系;波导元件的尺寸决定了使用频段，其形状决定这种元件的功能，其相对尺寸及其公差则与电性能(如阻抗、驻波系数)密切相关;又如在计算机的磁盘驱动器中采用的磁头结构形式和材料,就限定了信息的存储容量。根据互连和组装层次,电子设备的组装通常可分为元件级、插件级和插箱级等若干组装级(见电子组装级)。

典型的大型电子系统如雷达、卫星地球站等，是由几十个机柜、各种电缆、同轴线、传输线、天线、座架、驱动和传动系统等组成，并组装到车厢、舱室或机房中。

要实现电子组装，就要进行电子设备的结构设计。结构设计的好坏将影响到电子设备的性能(包括设备的使用性、可靠性、维修性、艺术性、环境的适应性、工艺性和经济性)。电子设备结构设计包括机械设计、热设计、电气设计和工业设计(人机工程和造型)等几个方面。

发展简况 20世纪初，由于电子管、各种元件、器件的发明和大量应用，形成了电子管设备的基本结构和组装技术。40年代,出现了晶体管和印制电路,并在50~60年代得到广泛使用。因此，电子设备的组装和结构发生了很大变化。组装密度成倍增加，设备体积大大缩小，电子设备的大量扎线被印制线路所替代，适应环境的能力也相应地提高。同一时期，雷达、计算机等先后出现，电子机械结构开始成为电子系统中重要组成部分。60年代，集成电路的发展使电子设备的组装与结构又发生了大的变革，于是产生了一门综合性新学科──电子组装。这期间，通信卫星与空间技术的迅速兴起和发展也推动了电子组装技术和电子机械结构的发展。70年代,中、大规模集成电路的大量使用，印制线路向多层、高密度发展，以及厚、薄膜电路的广泛应用，微电子组装也相继出现。70年代末，超大规模集成电路问世，技术更新的速度加快，缩短到十年之内就发生一次变化。80年代以后,电子系统的规模将会更大,复杂程度更高,可靠性、可维护性和智能化程度也更高，而内部基本单元将向微小型化、高密度、高性能、多功能、高精度、高可靠性发展。以80年代初期的计算机为例，微电子组装基板层数和多层印制线路板层数已达30层以上，每个芯片含有的逻辑电路已达704个。元件失效率降到10-9以下，系统的故障间隔时间由原来的几十小时提高到一千小时以上。

电子机械结构技术，是向高精度、高可靠性和高灵巧度的方向发展。比较突出的例子是，为适应深空探测和射电天文学研究的需要，大型天线(口径10米以上)的表面误差要达到0.1毫米以下,由此带来的问题是表面精度的测量、高精度反射面板的加工以及对各种变形的控制技术。由于毫米波和亚毫米波频率的开拓应用，提出了加工超精密机械结构的要求，必须使用现代化高速、大容量、高密度计算机。在超精密机械(包括驱动和传动系统)加工方面出现了新的技术突破，使设计精度已达微米量级以下。机器人已进入应用阶段，其灵巧程度正在日益提高。总之，现代电子机械已经是声、光、电、生物以及机械等多种技术和多行业的综合。

技术内容 电子设备组装和结构涉及的主要技术内容有下列几个方面。

电子组装技术 根据设备的功能、元件和器件数量、组装密度、环境要求、冷却方式、外连引出线数以及工艺和材料来选择合适的组装方式，包括电路的划分、元件和器件的布局和排列等。组装方式应使设备性能优良而可靠,并便于维修、测试和生产。随着元件、器件微小型化和超大规模集成电路的发展，一种新的组装技术──微电子组装已经兴起，它是提高组装密度的重要方向。

互连、连接和印制线路技术 电子系统中各单元之间的电气连线称为互连，接点处的接合称为连接。互连和连接是组装技术中非常重要的环节。印制线路仍是互连的主要手段，它正向多层、高密度、高性能、高精度和高生产率方向发展。接插件是各组装级间连接的关键零件，其作用是保证电气接触的可靠性。传统的连接都采用焊接，为了提高连接的可靠性，已发展出新的连接方式，如绕接和压接等(见电子设备互连与连接)。

组装结构 插件、插箱、机箱、机柜和舱室等是电子组装的场所。它应具有良好的电磁屏蔽、接地、散热、刚度和强度等性能，对外界环境的影响应具备有效的防护作用，便于安装、维修和操作并有美观的造型等。它的设计涉及电磁兼容、热设计、振动冲击防护、人机工程、结构力学等学科的综合应用。

电子设备的屏蔽与接地 电子设备中电路单元之间以及电子设备之间存在着通过电磁场感应的干扰和通过电源馈线和地线传导的干扰。为防止电子设备的内部和外部的电磁干扰，在结构上应采取有效的屏蔽措施，设计合理的信号线走线布局和接地系统以及电源馈线(见电子设备屏蔽与接地)。

电子设备的热控制 为保证电子设备在规定温度范围内正常工作，需要采取散热、加热和恒温等措施。其中散热是主要问题。散热有自然冷却、通风散热、液体冷却、蒸发冷却、热管传热和半导体致冷多种方式。对电子设备进行热分析后,应选择经济有效的散热措施(见电子设备热控制)。

电子设备振动与冲击的防护 为使电子设备在振动冲击环境下不致失效，元件、器件的安装应具有必要的抗震能力,同时还应采取减震装置和阻尼结构等措施,以减少外界机械环境的影响。这些措施只有在合理地应用振动理论的基础上才能收到良好的效果。(见电子设备振动与冲击防护)。

电子设备的环境防护 电子设备在工作、运输和储存过程中，各种环境因素的作用可能导致性能降低甚至失效。环境包括气候环境、机械环境、电磁环境和生物化学环境等。对于生物化学环境的防护，需要采取有效的防潮、防霉、防腐蚀的措施，如浸渍、密封、灌封、应用防霉剂和表面涂覆等(见电子设备环境防护)。

电子设备中的人机工程 设备的设计应考虑人的生理和心理特点,以充分发挥人的效率,以达到高效率、经济、安全、省力和操作方便的目的。因此，对设备的造型和色调、控制台和显示装置设计(显示装置的选择、刻度盘设计、最佳的刻度线和字符的选择、仪表盘的布置等)、操纵装置设计、工作面的安排、可维修性设计、工作环境设计及照明等,需要应用人机工程学的理论,以充分发挥人机系统的综合效果(见电子设备人机工程学)。

电子设备的机械结构 包括传动装置、控制机构、天线结构、天线座架、天线罩和计算机外部设备中的精密机械等设计。天线结构和天线罩不同于一般工程结构，其结构型式、结构布局甚至尺寸的选择，都必须考虑到电性能的要求。机械结构是电磁场理论与计算结构力学相结合的边缘学科。同样，电子精密机械也必须考虑结构参数对电性能的影响。例如，伺服传动装置中的齿隙、摩擦、惯量、弹性等对伺服系统性能的影响;天线系统固有频率限制了伺服系统的带宽，从而影响到伺服系统的动态误差。因此，电子精密机械是电子学和机械学相结合的边缘学科，某些情况下还牵涉到光学、磁学和声学。

可靠性问题 现代电子系统规模日益庞大，元件、器件用量多，组装密度高，功能多，加之系统的自动化和智能化程度高，某一环节稍有故障，就会造成整个系统失灵，对于军事电子设备尤为重要。因此，开展电子设备可靠性诸因素的研究，判定可靠性标准和进行可靠性工程设计是十分重要的课题。

电子设备的标准化、系列化、通用化、模块化(积木化) 这方面的研究工作对于保证电子设备的质量稳定、加速研制进度、大批量生产和提高经济效益，具有非常重要的意义。

电子设备的组装和结构问题涉及到电子学、机械学、化学、力学、电化学、材料科学、固体物理学、厚、薄膜技术、微电子技术、计算机技术以及声、光、电、磁、热等一系列学科的技术及其成就。特别是随着计算机技术的迅速发展，人们已开始采用计算机辅助设计，计算机辅助制图，计算机辅助布线，计算机辅助制造等先进工艺，以改进和优化电子设备组装与结构的性能，提高电子设备的生产效率和可靠性。

参考书目

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.