PCB mật độ cao

Những thách thức chính mà PCB phải đối mặt trong môi trường khắc nghiệt có thể được tóm tắt như sau:
Độ ẩm, bụi bẩn:Để chống lại các yếu tố môi trường này, thường cần phải xử lý PCB bằng một quy trình đặc biệt được gọi là lớp phủ bảo giác. Với nó, PCB được bao phủ sau quá trình lắp ráp bằng một lớp mỏng vật liệu bảo vệ không dẫn điện như silicon, acrylic, urethane hoặc p-xylene. Lớp phủ cho phép kéo dài tuổi thọ của mạch điện tử bằng cách bảo vệ nó khỏi các chất gây ô nhiễm bên ngoài.

Nhiệt độ cao:Nếu PCB phải hoạt động liên tục ở nhiệt độ cao hơn tiêu chuẩn thì tốt hơn nên sử dụng các lớp có lớp đồng dày hơn (đồng nặng). Độ dày đồng lớn hơn 3 ounce trên mỗi foot vuông thường được kết hợp với việc áp dụng lớp phủ tuân thủ để cung cấp cho bo mạch mức độ bảo vệ cao trong trường hợp hoạt động không bị gián đoạn ở nhiệt độ cao. Việc sử dụng các lớp có nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh (Tg) cao hơn, chẳng hạn như FR-4 TG140 hoặc TG170), giúp PCB có thêm khả năng bảo vệ khỏi nhiệt độ

Bức xạ ion hóa:PCB cho các ứng dụng hàng không vũ trụ bị bắn phá bởi nhiều loại hạt khác nhau, ngoài bức xạ điện từ do mặt trời và các thiên thể khác tạo ra. Bức xạ này có thể gây ra các nhiễu loạn tạm thời (chẳng hạn như lật bit hoặc xóa bộ nhớ) hoặc làm hư hỏng thành phần vĩnh viễn các cú sốc và rung động, đặc biệt là trong các ứng dụng ô tô và hàng không vũ trụ.

Ăn mòn:Đó là một trong những cạm bẫy chính đối với bất kỳ bộ phận kim loại nào. Ăn mòn xảy ra khi oxy và kim loại liên kết với nhau thông qua một quá trình được gọi là quá trình oxy hóa. Điều này tạo ra rỉ sét và khiến kim loại mất đi tính chất hóa học, phân hủy theo thời gian. Vì PCB chứa một lượng lớn kim loại nên nếu tiếp xúc với oxy, chúng sẽ bị ăn mòn.

Để ngăn ngừa hư hỏng do các tác nhân khí quyển gây ra, một lớp phủ bảo vệ không dẫn điện được gọi là lớp phủ bảo giác được phủ lên PCB sau khi lắp ráp (Hình 1). Điều này thường được áp dụng cho PCB dành cho người tiêu dùng, thiết bị và thiết bị di động, những nơi thường hoạt động khi có độ ẩm, bụi hoặc các yếu tố môi trường khắc nghiệt khác. Lớp bảo vệ được áp dụng cho PCB cho phép hơi ẩm có trong các lớp PCB thoát ra ngoài, đồng thời ngăn chặn các tác nhân bên ngoài tiếp cận bo mạch và các bộ phận của nó, làm ảnh hưởng đến hoạt động của chúng. Ngoài việc tăng độ tin cậy, lớp phủ phù hợp còn kéo dài tuổi thọ của mạch điện.

Các loại lớp phủ bảo giác phổ biến nhất là silicone, nhựa acrylic, polyurethane và p-xylene, mỗi loại có khả năng cung cấp một mức độ bảo vệ nhất định. Ví dụ, silicone có thể bao phủ phạm vi nhiệt độ rộng nhất và do đó là lựa chọn tốt nhất cho các ứng dụng có nhiệt độ khắc nghiệt. Mặt khác, silicone có khả năng bám dính kém trên một số loại chất nền và khả năng kháng hóa chất thấp hơn nhựa acrylic. Loại thứ hai, do cấu trúc cứng của nó, không đặc biệt thích hợp khi có va chạm và rung động. Polyurethane có khả năng chống ẩm, mài mòn và rung động cao, chịu được nhiệt độ thấp nhưng không chịu được nhiệt độ cao. Theo đó, chúng chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng có nhiệt độ từ -40 độ đến +120 độ . P-xylene là vật liệu phù hợp có khả năng bảo vệ cao nhưng đắt tiền và nhạy cảm với các chất gây ô nhiễm nên phải được sử dụng trong chân không.

Về ứng dụng lớp phủ phù hợp PCB, có thể sử dụng bốn kỹ thuật: nhúng, phủ chọn lọc tự động, phun và chải. Mỗi lựa chọn thay thế này đều đạt được cùng một mục tiêu: bao phủ hoàn toàn PCB bao gồm các cạnh sắc và tất cả các cạnh của bo mạch. Sau khi thi công, lớp phủ bảo giác được xử lý bằng cách sấy khô trong không khí, sấy khô trong lò hoặc bằng tia UV.

Mật độ ngày càng tăng của các thành phần trên PCB dẫn đến nhiệt độ hoạt động tăng lên không thể tránh khỏi, tình trạng này về lâu dài có thể ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của các mối hàn hoặc của chính các lớp do sự giãn nở và co lại của các vật liệu có tính chất vật lý khác nhau. Do đó, PCB nhiệt độ cao nên sử dụng chất điện môi có nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg) ít nhất là 170 độ. Một quy tắc thường được áp dụng là cho phép nhiệt độ vận hành thấp hơn giá trị Tg của vật liệu được sử dụng khoảng 25 độ. Ngoài việc lựa chọn vật liệu, nhiệt độ cao của PCB có thể được quản lý bằng cách loại bỏ nhiệt sinh ra và truyền nó sang các khu vực khác của PCB. Nếu bộ phận nóng được gắn ở mặt trên của PCB và có bề mặt đủ lớn thì có thể lắp đặt một bộ tản nhiệt trên đó để loại bỏ nhiệt trước tiên bằng cách dẫn nhiệt (từ bộ phận đến tản nhiệt) và sau đó bằng đối lưu (từ bề mặt của tản nhiệt ra không khí xung quanh, lạnh hơn).

Nếu bộ phận nóng được gắn ở mặt dưới của PCB và không thể lắp tản nhiệt, kỹ thuật thường được các nhà thiết kế sử dụng là chèn một số lượng lớn đường dẫn nhiệt trên PCB để truyền nhiệt ra khỏi bộ phận nóng sang một lớp. đồng trên đỉnh PCB, từ đó nó có thể được chuyển tiếp sang tản nhiệt phù hợp. Thông thường, các tản nhiệt gắn trên PCB có kích thước lớn, có bề mặt dạng vây hoặc dạng sóng để tăng diện tích tản nhiệt. Có thể lắp thêm quạt để cải thiện khả năng làm mát đối lưu cưỡng bức, so với làm mát đối lưu tự nhiên.

Đối với các sứ mệnh không gian dài hạn, lựa chọn duy nhất hiện có là sử dụng các thành phần "rad-hard". Những thành phần này hiếm hơn nhiều và do đó đắt hơn các thành phần tiêu chuẩn. Đối với các sứ mệnh không gian ngắn hạn (tối đa một năm), có thể được phép sử dụng các bộ phận thương mại tiêu chuẩn sau khi phân tích và xác minh khả năng chịu bức xạ của chúng. Điều này cho phép bạn giảm chi phí thiết kế của thiết bị không gian và mở rộng việc lựa chọn các thành phần có sẵn để thiết kế. Bằng cách áp dụng các kỹ thuật thiết kế phần cứng khác nhau, các hiệu ứng do bức xạ tạo ra có thể được khắc phục. Ví dụ, ở cấp độ thiết kế PCB, điều quan trọng là phải đảm bảo nối đất đầy đủ cho tất cả các bộ phận kim loại.

Để bảo vệ chống sốc và rung, PCB có thể được lắp đặt trong một thùng chứa được đổ nhựa để bao bọc hoàn toàn nó. Lớp nhựa càng cao thì mức độ bảo vệ càng tốt. Tuy nhiên, trừ khi tất cả các thành phần trên PCB có chiều cao đồng đều, độ dày của lớp nhựa sẽ khác nhau trên bảng, cung cấp mức độ bảo vệ hơi khác nhau cho từng thành phần. Do đó, trong trường hợp xấu nhất, lớp nhựa mỏng nhất tương ứng với mức độ bảo vệ được cung cấp trên toàn bộ bo mạch. Trước khi xem xét việc đóng gói nhựa, PCB phải được làm sạch hoàn toàn. Ô nhiễm bề mặt có thể tác động tiêu cực đến mức độ bảo vệ do bao bọc mang lại, đặc biệt trong các trường hợp kháng hóa chất (vì nó tạo đường đi dễ dàng hơn cho hóa chất xâm nhập).