Wie Sie Ihr PCB auf ein Ausgasen in Ultrahochvakuum-Systemen vorbereiten

Sie haben sicher schon einmal die Redensart „die Pläne von jemandem durchkreuzen“ gehört, oder? In meiner Schulzeit spielte ich Saxophon in einer Blaskapelle. Eines Abends nahmen wir an einem Wettbewerb teil, bei dem es nach 3 der insgesamt 6 Kilometer langen Marschstrecke zu regnen begann. Wir mussten also abbrechen und uns unterstellen. Unsere harte Arbeit war von einem Moment auf den anderen durch ein bisschen Regen ruiniert. Auf der Erde führt Kondensation in der Regal dazu, dass wir uns unterstellen und Schutz suchen. Bei niedrigem Druck aber kann sie das Schicksal unserer Experimente besiegeln. Vielleicht denken Sie nicht großartig über Kondensation in der Ultrahochvakuum-Technik des Weltraums nach. In vielen Weltraummissionen kommt es aber zu Komplikationen, hervorgerufen durch ein wenig Dampf aufgrund eines Vorgangs, der als „Ausgasen“ bezeichnet wird. Hierbei handelt es sich um ein Phänomen, das in Umgebungen mit Ultrahochvakuum auftritt und in der Nähe befindliche Instrumente beeinträchtigen oder ruinieren kann. Wenn Sie PCBs für die Verwendung im Ultrahochvakuum (UHV) konzipieren, müssen Sie herausfinden, wie Sie das Ausgasen Ihrer Platine reduzieren können. In einer idealen Welt wären wir in der Lage, das Ausgasen komplett zu vermeiden. Da jedoch nichts wirklich perfekt ist, spielen Abschwächungsstrategien eine wichtige Rolle, um im Fall der Fälle adäquat damit umgehen zu können.

Was ist Ausgasen und warum ist es wichtig?

Als ich auf die Hochschule ging, wechselte ich vom Saxophon auf das Fagott. Falls Sie nicht genau wissen, was das ist, sind Sie damit in guter Gesellschaft. Ebenso haben Sie vielleicht noch nicht viel über das Ausgasen von PCBs gehört. Ein Ausgasen tritt auf, wenn in Materialien eingeschlossene Gase in einer Umgebung mit Ultrahochvakuum- herausgesaugt werden. Da Platinen aus einer Vielzahl poröser Verbundstoffe hergestellt sind, kann dieses Phänomen ein erhebliches Problem darstellen. Während des Herstellungsprozesses schließen diese durchlässigen Materialien oft Luft und andere Gase ein. Wird die Schaltung dann dem Vakuum des Weltraums ausgesetzt, so werden diese Gase herausgezogen und können anschließend auf nahegelegenen Oberflächen kondensieren.

Das Ausgasen produziert ein Kondensat, das sowohl eine Störung optischer Instrumente verursachen als auch Messungen verzerren kann. Dies ist besonders für Raumsonden relevant, die für die Messung von Kometen-Atmosphären entwickelt wurden. Hier kann das Ausgasen stärker sein als die eigentliche Signatur des Kometen.

Sogar relativ vertraute Dämpfe wie Wasser können zur Störung von Missionen führen. Risiken dieser Art können Experimente und ganze Weltraummissionen behindern. Aus diesem Grund gibt die NASA im Rahmen entsprechender Workshops Tipps, wie sich das Ausgasen reduzieren lässt, und hat sogar schon Richtlinien für das Testen von Materialien auf Ausgasung herausgegeben. Doch selbst wenn Sie diese Richtlinien gewissenhaft befolgen, wird Ihr PCB trotzdem in gewissem Umfang ausgasen. Sie müssen sich also nicht nur auf die Begrenzung, sondern auch auf die Milderung entsprechender Auswirkungen konzentrieren.

_{Objektive und andere optische Geräte können durch Ausgasen verunreinigt werden.} 

Verringerung der Ausgasung in einer Umgebung mit Ultrahochvakuum

Nach dem besagten Regendesaster dauerte es Tage, bis unsere Instrumente wieder trocken waren. Wir konnten sie auch nicht einfach in einen Ofen legen, um so die Feuchtigkeit wieder loszuwerden. Glücklicherweise können Sie aber mit Ihren PCBs genau dies tun, um für ein verringertes Ausgasen zu sorgen. Darüber hinaus sollten Sie Materialien wählen, die über gute Ausgasungs-Eigenschaften verfügen.

Hersteller heizen ihre PCBs aus mehreren Gründen aus. Erstens geht es um das Entfernen der in den Platinen eingeschlossenen Feuchtigkeit, die sonst verdampfen und während des Reflow-Lötens ausgasen könnte, was wiederum zu Defekten führen könnte. Dieselbe Feuchtigkeit bzw. dieselben Dämpfe sind beim Ausgasen im Weltraum beteiligt. Um das Risiko einer Ausgasung im luftleeren Raum zu reduzieren, müssen Sie Ihre Schaltung nicht nur ausheizen, sondern dies auch im Vakuum tun. So lässt sich sicherzustellen, dass so wenig Restfeuchtigkeit wie nur möglich zurückbleibt.

Die Auswahl der richtigen PCB-Materialien ist der Schlüssel, wenn es um Reduzierung der Ausgasung geht. Achten Sie darauf, Ihre Platine mit Elementen zu bauen, die eigens für die anstehenden Aufgaben im Ultrahochvakuum entwickelt wurden. Einige Werkstoffe für flexible Leiterplatten wie etwa Kapton haben ebenfalls gute Ausgasungs-Eigenschaften.

Beginnen Sie Ihr Experiment mit der richtigen Grundlage, indem Sie Materialien wählen, die für das Ultrahochvakuum geschaffen wurden. Sprechen Sie dann mit Ihrem Hersteller über einen Prebake-Prozess im Vakuum, um so viel Feuchtigkeit wie möglich aus Ihren Platinen zu entfernen. 

_{Ebnen Sie einen Weg, dem das Gas folgen kann.}

Minderung der Ausgasung

Sie können es möglicherweise nicht vermeiden, während eines Regenschauers nach draußen zu gehen. Ein Regenschirm oder ein Regenmantel können Sie jedoch davor bewahren, allzu nass zu werden. Auch wenn Sie die besten Materialien und Herstellungsprozesse nutzen, kann Ihre Platine noch immer einer Ausgasung ausgesetzt sein. Deshalb sollten Sie Minderungsstrategien anwenden, um die Funktionalität Ihrer Platine auch dann aufrecht zu erhalten, wenn die Dinge nicht so laufen wie geplant. Die Auswirkungen einer Ausgasung können verringert werden, indem die Dämpfe von Instrumenten weggeleitet und Heizelemente verwendet werden.

Ausgasen ist besonders für Objektive und andere optische Instrumente problematisch. Wenn Sie also annehmen, dass Ihre Platine Dämpfe abgeben wird, sollten Sie diese weg von empfindlichen Oberflächen leiten. Sie können einen Pfad konzipieren, dem sämtliche austretende Gase folgen können und diese dann in den Weltraum oder an einen Ort leiten, an dem sie keinen Schaden anrichten können.

Vielleicht sind Sie sich aber doch nicht sicher, ob Sie Kondensate von Ihren empfindlichen Apparaturen fernhalten können. In einem solchen Fall können Sie Heizelemente verwenden, um etwaige Beläge oder Eisschichten loszuwerden. Falls sich Ihr PCB an Bord eines Raumfahrzeugs befindet, könnten Sie betroffene Oberflächen auch zur Sonne hin ausrichten. 

Ausgasung kann ein ernstes Problem darstellen. Jedoch muss es nicht unbedingt Ihre Pläne durchkreuzen. Wenn Sie die richtigen Materialien verwenden und diese dann in einem Vakuum vorab ausheizen, können Sie die Wahrscheinlichkeit einer Ausgasung minimieren. Wenn Sie sich dann noch immer Sorgen um missionskritische Elemente machen sollten, haben Sie immer noch eine Reihe weiterer Optionen. Beziehen Sie einen Pfad des geringsten Widerstandes in Ihr Design ein, um Gase genau dahin zu leiten, wohin Sie es möchten. Alternativ können Sie auch Wärme nutzen, um betroffene Oberflächen freizubekommen.

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