Разработка электроники, способной выдерживать давление

Суреш Патель | 22 февраля 2023 г.

Электронные продукты должны быть надежными и долговечными, особенно если они предназначены для работы в суровых условиях. Создание печатных плат (PCB), способных эффективно работать в экстремальных условиях окружающей среды, таких как повышенная температура, влажность, вибрация и давление, является довольно сложной задачей. Существует множество отраслевых стандартов, установленных для проверки проектирования и развертывания печатных плат для критически важных приложений, таких как автомобили, военная, аэрокосмическая и подводная электроника.

Экстремальные температуры влияют не только на материалы печатных плат, но и на геометрию сборки печатной платы. Разница давлений может вызвать физическую нагрузку на электронные изделия. Влага в рабочей атмосфере может вызвать коррозию печатной платы и вывести из строя все электронное устройство. Вибрационная усталость в автомобильной промышленности является серьезной проблемой для производителей печатных плат.

Для электроники, устойчивой к давлению, корпус должен быть спроектирован так, чтобы выдерживать очень высокие или низкие температуры, непрерывное движение, вибрацию и давление. В конструкции печатной платы должны использоваться компоненты и материалы, рассчитанные на работу в экстремальных условиях. Соблюдение требований и стандартов приемлемости защищенной электроники обеспечит стабильную работу продукта. Создание электроники, способной работать в суровых условиях, требует оптимального совмещения процессов проектирования, сборки и тестирования печатных плат.

Детальное понимание операционной среды продукта является первым шагом в создании надежной электроники. ПХБ могут подвергаться воздействию различных обстоятельств:

В зависимости от конкретной рабочей среды проектировщики печатных плат должны собирать необходимую информацию, такую ​​как место размещения продукта и соответствующие параметры окружающей среды, такие как:

Экстремальные условия могут значительно снизить производительность и срок службы электронных устройств. Если продукт не предназначен для суровых условий, экстремальная температура может привести к произвольному расширению слоев печатной платы вместе с медными дорожками. Изменение температуры также влияет на паяные соединения и, следовательно, на возможность подключения сигнала. Компоненты сборки печатной платы, такие как транзисторы, микросхемы и дискретные детали (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и т. д.), имеют параметры, зависящие от рабочей температуры, что может повлиять на функциональность схемы. Высокие температуры могут привести к выделению газов из материала печатной платы в корпус, что приведет к коррозии.

Давление и вибрация могут привести к взрыву внешнего корпуса, подвергая электронные схемы воздействию внешней среды. Любая разница давлений может повлиять на печатную плату и ее компоненты. Он может быстро распространить материал печатной платы в окружающую среду. В процессе производства чипов внутри компонентов могут создаваться пустоты, заполняемые воздухом. Такие компоненты, установленные на печатных платах, могут разрушиться при любой разнице давления, что приведет к выходу из строя компонентов и изделий.

Влага или пыль на печатной плате могут вызвать электрические неисправности, например, ослабление сигнала. Избыточная влажность может привести к коррозии печатной платы. Это может вызвать короткое замыкание, что в крайних случаях может привести к пожару. Скачки напряжения из-за грозы или электростатических разрядов (ESD) могут полностью повредить электронное изделие. Чрезмерные электромагнитные помехи от окружающего оборудования или рабочей установки могут ухудшить работу платы.

Материал подложки и медная фольга должны выбираться в соответствии с рабочей средой электронного продукта.

Полиимидные материалы и материалы Rogers (ламинаты углеводородной керамики) подходят для экстремально высоких температур. Рекомендуется использовать алюминий для криогенных температур и FR4 (огнестойкий материал для печатных плат) для низкотемпературного применения. В условиях высокой влажности лучшим выбором являются материалы FR4 или низкотемпературная керамика совместного обжига (LTCC). Полиимид и политетрафторэтилен (ПТФЭ) являются примерами устойчивых к коррозии материалов для печатных плат и подходят для влажной среды.

Необходимо согласовать диэлектрическую проницаемость (DK) различных подложек и сердечников в сборке печатной платы. Кроме того, коэффициент теплового расширения (КТР) соседних подложек должен совпадать для равномерного расширения или сжатия слоев печатной платы в суровых условиях.