在上篇中,我較多地談到了PCB在惡劣和極端環(huán)境中所面臨的挑戰(zhàn)和風(fēng)險。這一次,我想更深入地探討有關(guān)極端環(huán)境下PCB設(shè)計的關(guān)鍵點。
當(dāng)我想到極端環(huán)境中特有的一些挑戰(zhàn)后,我再次驚嘆于強大的現(xiàn)代科技。海拔、振動、沖擊和高溫的負面影響,不斷困擾著我們每天所依賴的電子設(shè)備,但人們?nèi)匀荒軌蛲黄浦貒?,將可靠的電子系統(tǒng)部署在這些嚴(yán)峻的環(huán)境中,并且確保它們能夠順利運行。
海拔變化 - 對PCB有何影響?
PCB設(shè)計工程師必須要解決的一個挑戰(zhàn)是 - 空氣密度隨海拔變化而產(chǎn)生的影響。眾所周知,大氣的密度隨海拔增加而下降。在相同的電壓下,如果空氣密度降低,電場強度將增加,這就意味著在較高海拔下,電路中的氣體或絕緣材料可能更容易被擊穿,因此需要降低最高工作電壓來維持相同的絕緣特性。
那么,如何減緩這一現(xiàn)象呢?首先,參考IPC-2221第6節(jié)設(shè)計規(guī)范部分,有不少關(guān)于如何設(shè)計電氣間隙的內(nèi)容。其次,另一種防止電弧產(chǎn)生的方法,是在設(shè)計中使用圓角。具體來說,就是在鋪銅區(qū)、焊盤以及線路彎折處等避免使用90°的內(nèi)外角設(shè)計。同時,工程師也需要考慮連接引腳,由于電路板的各區(qū)域可能關(guān)聯(lián)不同的電壓水平,因此在這些地方可能存在更大的電弧風(fēng)險。有時候,連接器上會有未使用的引腳,如果間隔使用引腳,就可以獲得更大的電氣間隙。
持續(xù)振動和猛烈沖擊 - 對PCB有何影響?
猛烈沖擊是指PCB在短時間內(nèi)承受高幅度位移的情況,而持續(xù)振動則指PCB在較長時間內(nèi)持續(xù)進行低幅度位移。外力使得PCB圍繞質(zhì)心擺動,反過來會對PCB材料及連接點產(chǎn)生壓力。材料在PP與銅層間粘合處受到應(yīng)力,孔銅可能會出現(xiàn)斷裂。我們可以通過很多細節(jié)來減輕振動和沖擊,關(guān)鍵是找到在保持機械穩(wěn)定性的同時要增加到系統(tǒng)中的最小質(zhì)量。以下是一些振動和沖擊環(huán)境中的PCB設(shè)計注意事項:
針對振動和沖擊的PCB設(shè)計
更多的安裝孔。更多的安裝孔意味著更多的固定點和更高的穩(wěn)定性,這也將允許在系統(tǒng)中安裝更多的減振裝置。
疊層設(shè)計。在課程中,我們會研究一些有趣的課題,比如為衛(wèi)星應(yīng)用設(shè)計電路板和疊層。對于將受到極端沖擊或振動情況的PCB,確保PP有足夠的樹脂量來承受這些情況,是非常重要的。PP負責(zé)將各層粘合在一起,在承受振動或沖擊時,PCB可能會彎曲,進而在連接點產(chǎn)生應(yīng)力。為了盡量減輕應(yīng)力,我們應(yīng)該考慮使用樹脂含量超過50%的PP。此外,使用兩張以上的PP是增加粘連強度的另一種方式,但這種方式適用性不高,因為要兼顧信號完整性要求。如果不要求信號完整性,該怎么辦?如果3張PP粘連更牢靠,那么4張PP會更好,對嗎?有可能。但同時,我們需要考慮過多的PP將不利于層間對位。除非您的PCB供應(yīng)商有確切的寶我,否則我更建議最多使用3張PP。如果需要更厚的銅厚,但不能增加更多的PP,可以考慮在層壓結(jié)構(gòu)中使用無銅芯板。與PP不同,無銅芯板已經(jīng)固化,因此不會在壓合過程中增加任何樹脂。因此,不會犧牲層間的對準(zhǔn)精度。
內(nèi)部連接點。隨著PCB的振動,導(dǎo)通孔也在振動,這對于孔內(nèi)鍍銅層來說,是一種考驗。當(dāng)孔內(nèi)電鍍層受到應(yīng)力時,會有開裂的風(fēng)險,隨時更換或維修都是不現(xiàn)實的。通過更厚的孔內(nèi)電鍍來提升PCB的可靠性,是一種途徑,但不適用于所有情況。
PCB和散熱管理
散熱管理是我想強調(diào)的最后一個挑戰(zhàn)。散熱管理的基本目標(biāo)是確保所有電路元件,特別是IC芯片,保持在各自的功能及最大的容許范圍內(nèi)。
電子產(chǎn)品內(nèi)產(chǎn)生的熱量是通過三種基本傳熱方式(傳導(dǎo)、輻射和對流)進行消散的。材料的導(dǎo)熱能力與其導(dǎo)熱系數(shù)、橫截面積及溫差相關(guān)。而輻射,則主要通過紅外波長的電磁輻射傳熱。在真空環(huán)境下,例如太空,輻射是物體唯一的傳熱方式。
對于極端環(huán)境中的PCB,被動冷卻的方式,如對流,是一種可取的解決方案。常規(guī)環(huán)境中的PCB可以連接到底盤上進行散熱,或通過其它設(shè)備冷卻。在極端環(huán)境中運行的PCB卻不是總能支持類似的散熱方案,所以我們可以將PCB設(shè)計為主動散熱。
增加散熱的簡單方法,是直接增加PCB的銅厚。更厚的銅,能更好地導(dǎo)熱。需要注意的是,確保PCB規(guī)格中的電氣間隙足以支持使用更厚的銅來散熱。
如果簡單地增加銅厚不能滿足散熱,可以選擇在PCB中埋入銅塊。簡而言之,就是在PCB中構(gòu)建一個簡單的散熱器,位于零部件的正下方,與發(fā)熱元件直接接觸,某些情況下,甚至可以與元件進行電氣連接。這種方式的優(yōu)點,是能夠更高效地進行熱量傳導(dǎo),但對PCB制造商來說是種挑戰(zhàn)。每進行一次埋銅處理,就會產(chǎn)生一個薄弱點,薄弱點過多會導(dǎo)致翹曲和意想不到的后果,請設(shè)想一下,一個使用了大量埋銅技術(shù)的PCB處于極端的振動或沖擊環(huán)境,會發(fā)生什么?
與其在設(shè)計PCB時過多地使用埋銅,不如考慮采用金屬芯板結(jié)構(gòu)。金屬芯板可以壓合到疊層中,來提供最佳散熱能力。在布局時,應(yīng)仔細考慮介質(zhì)厚度,我們建議在元件層和金屬芯板中間盡量使用薄的電介質(zhì),這是因為較薄的介電材料的熱阻更小。這個建議與我之前提出的設(shè)計疊層以抵御沖擊和振動情況的建議相悖了,但隨著PCB越來越復(fù)雜,我們必須考慮到其中的聯(lián)動關(guān)系。
極端環(huán)境會帶來很多未知的挑戰(zhàn),我們?yōu)榱藴p輕極端環(huán)境對PCB造成的影響,盡力去優(yōu)化其設(shè)計和制造流程,但也必須意識到,徹底全面規(guī)避掉所有風(fēng)險是很困難的,只能盡量平衡各方,幫助制造更可靠耐用的PCB。
而關(guān)于如何最大程度減少風(fēng)險,我能提供的最佳建議是在項目早期就尋求專業(yè)的PCB供應(yīng)商進行技術(shù)合作。不同于客戶更了解產(chǎn)品,PCB供應(yīng)商更了解的是產(chǎn)品的PCB設(shè)計如何順利制造,了解PCB設(shè)計的關(guān)鍵因素和產(chǎn)線的制程能力,并且具有豐富的經(jīng)驗,能夠以具有成本效益和最可持續(xù)的方式為您提供PCB相關(guān)服務(wù)。
如果您對上文中提到的埋銅PCB有興趣,我們?yōu)槟鷦?chuàng)建了一份常規(guī)的埋銅PCB設(shè)計指南,幫助您了解關(guān)于埋銅設(shè)計的更多信息.
審核編輯 黃宇
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