Jak przygotować swoją płytę PCB do wygazowania w systemach ultrawysokiej próżni

Żaden materiał PCB nie jest doskonały, a to stwierdzenie szczególnie dotyczy materiałów używanych do budowy PCB. Materiały używane w stosie PCB to kompozytowe laminaty zawierające tkankę z włókna szklanego oraz wypełniacz z żywicy. Żywica zawiera bogactwo związków organicznych i lotnych materiałów, które mogą ulegać wydzielaniu gazów. Zawsze występuje pewna mała ilość wydzielania gazów, ale w określonych warunkach tempo wydzielania gazów może wzrosnąć. Jest to zjawisko występujące w środowiskach o wysokiej próżni i może przeszkadzać lub zniszczyć pobliskie instrumenty.

Jeśli projektujesz PCB dla ultra-wysokiej próżni (UHV) lub płyty, które będą poddawane cyklom termicznym, musisz określić, jak zmniejszyć wydzielanie gazów z PCB. W idealnym świecie moglibyśmy wyeliminować wydzielanie gazów, ale w rzeczywistości można tylko zmniejszyć lub stłumić wydzielanie gazów z gotowego produktu. Obszary zastosowań takie jak przestrzeń kosmiczna, elektrooptyka i precyzyjna instrumentacja polegają na niskim wydzielaniu gazów, szczególnie gdy urządzenia są wdrażane w trudnym środowisku.

Co to jest wydzielanie gazów z PCB i dlaczego ma to znaczenie?

Wydzielanie gazów (lub offgassing) występuje, gdy gazy uwięzione w materiale przechodzą transfer masowy na powierzchnię materiału i są wciągane do zewnętrznego środowiska. Jest to naturalny proces, który jest związany z trzema podstawowymi mechanizmami transferu masowego:

• Dyfuzja, gdzie transport lotnych substancji wewnątrz laminatu jest napędzany przez gradient stężenia
• Desorpcja, gdzie lotne substancje są desorbowane z miejsc powierzchniowych w materiale
• Wyparowywanie, gdzie lotne substancje są emitowane w wyniku zmiany fazy na fazę gazową

W warunkach otoczenia głównymi mechanizmami, przez które zachodzi wygazowanie, są dyfuzja i desorpcja. Zmiany w otaczającym środowisku zmienią szybkość wygazowania, takie jak zmiany temperatury lub ciśnienia środowiska, w którym działa płyta. Prowadzi to do trzech powszechnych przypadków, w których wygazowanie jest prawdopodobne podczas działania: podczas lutowania falowego/reflow, w wysokiej próżni oraz przy podwyższonej temperaturze.

Wygazowanie podczas lutowania

Gdy PCB jest poddawany zautomatyzowanemu procesowi lutowania, szczególnie falowemu lub reflow, nastąpi pewne wygazowanie. W trakcie procesu płyta zostanie podgrzana do podwyższonej temperatury, zarówno przez wysokie ciepło stopionego lutu, jak i wysokie ciepło pieca. Podczas termicznego wznoszenia do wysokiej temperatury, PCB zacznie uwalniać uwięzione gazy i wilgoć, głównie z masy laminatu PCB.

Rozwiązaniem tutaj jest wstępne wygrzewanie gołej płytki PCB przed lutowaniem. Typowa temperatura wstępnego wygrzewania wynosi od 100 do 120 °C lub wyższa, a w przypadku urządzeń końcowych przeznaczonych do zastosowań w lotnictwie i kosmonautyce, może być to wykonane w próżni, jak opisano poniżej. Przez wstępne wygrzewanie płytki usuwasz resztkową wilgoć z masowego materiału PCB.

Wydzielanie gazów w wysokiej próżni

Wydzielanie gazów może również wystąpić w próżni, nawet jeśli płyta nie jest podniesiona do wysokiej temperatury. Powodem tego jest to, że szybkości dyfuzji są zależne od temperatury i ciśnienia. Więc jeśli ciśnienie w otaczającym środowisku spada, strumień dyfuzyjny lotnych substancji będzie wyższy, ponieważ nie ma ciśnienia powietrza, które mogłoby blokować dyfuzję. Ponadto, waporizacja może wystąpić, gdy próżnia jest wystarczająco wysoka. Jest to typowo problem występujący w systemach działających w przestrzeni kosmicznej, zarówno w systemach ciśnieniowych (statki kosmiczne), jak i nienaciśnieniowych (satelity).

Wydzielanie gazów przy wysokiej temperaturze

Gdy płyta zawierająca resztkową wilgoć i inne lotne substancje jest podgrzewana do wyższej temperatury, szybkość wydzielania gazów zwiększa się. Gdy temperatura przekroczy punkt wrzenia wody, wilgoć uwięziona w masie laminatu PCB zaczyna migrować w kierunku powierzchni i paruje, co zwiększa szybkość wydzielania gazów. Wydzielanie gazów będzie kontynuowane, dopóki PCB nie zostanie ochłodzone do niższej temperatury lub dopóki zawartość wilgoci w PCB nie zostanie wyczerpana. To powinno wyjaśnić, dlaczego zaleca się wypiekanie PCB przed montażem w procesie falowym lub przepływowym; proces wstępnego wypiekania wymusi usunięcie lotnych substancji z materiału PCB (więcej informacji poniżej).

Należy zauważyć, że niektóre systemy mogą doświadczać ekstremalnych cykli termicznych i pracować w wysokiej próżni, np. sprzęt rozmieszczony w przestrzeni kosmicznej. Elektronika używana w satelitach, na przykład, jest tylko częściowo chroniona termicznie, ale nowoczesne satelity nie są ani uszczelnione, ani ciśnieniowe. W rezultacie, gdy są umieszczane na orbicie, bardzo szybko osiągają stan zbliżony do próżni, a obudowa ostatecznie osiąga środowisko wysokiej próżni.

Dlaczego wydzielanie gazów jest problemem

Wydzielanie gazów może być dużym problemem w płytkach obwodów drukowanych, ponieważ materiały PCB są porowatymi kompozytami i mają tendencję do zatrzymywania gazów i wilgoci podczas procesu fabrykacji. Problem z wydzielaniem gazów polega na tym, że desorbowane/odparowane lotne związki mogą skondensować się na zimnej powierzchni i stać się zanieczyszczeniem. Powoduje to wiele problemów w systemach używanych do precyzyjnych pomiarów, obrazowania, czujników i analizy chemicznej. W systemach bezzałogowych jest to problem, ponieważ nie będzie żadnego człowieka, który mógłby utrzymać system i usunąć zanieczyszczenia. Jednym z najprostszych

Jedną ważną rzeczą, którą należy zauważyć, jest to, że wydzielanie gazów występuje również z innych powierzchni i materiałów oprócz PCB. Gdy PCB jest wdrażane w większy system, będzie obudowa, okablowanie i przewody oraz specjalistyczne materiały takie jak związki termiczne lub związki ekranujące. Każdy z tych innych materiałów może wykazywać wydzielanie gazów. Gdy są one wprowadzane do próżni, wydzielanie gazów zawsze będzie większe, ponieważ szybkości desorpcji i dyfuzji są wyższe, a także nastąpi odparowanie. Wszystkie te materiały

Jak tłumić wydzielanie gazów

Istnieje kilka prostych kroków projektowych i produkcyjnych, które mogą pomóc zmniejszyć wydzielanie gazów z PCB i innych materiałów używanych w montażu. Są one wymienione w poniższej tabeli:

Producenci poddają swoje płytki drukowane procesowi wypiekania w jednym celu, który służy różnym zakończeniom: usunięciu wilgoci. Woda uwięziona w materiałach płytki obwodu może desorbować lub wyparować i wydobywać się podczas lutowania reflow, lutowania falą, cykli temperaturowych oraz pracy w próżni. Wstępne wypiekanie ma na celu usunięcie związków lotnych z wnętrza laminatu PCB, ze szczególnym skupieniem na nadmiarze wilgoci. Jeśli PCB ma być używane w środowisku próżniowym, wówczas należy wstępnie wypiec swoją PCB w wysokiej próżni. Pomoże to zapewnić jak najmniejszą ilość pozostałej wilgoci, jak również minimalne stężenie innych lotnych związków uwięzionych w laminacie PCB.

Wybór odpowiednich materiałów do płytek drukowanych jest kluczowy, gdy próbuje się zredukować wydzielanie gazów. Jeśli potrzebujesz materiałów o niskim wydzielaniu gazów dla swojej PCB, produkty takie jak seria RT/duroid firmy Rogers Corporation mogą być odpowiednie. Materiały na elastyczne obwody (Kapton) również wykazują niskie wydzielanie gazów. Powinieneś również rozpocząć budowę od rozmowy z producentem na temat użycia procesu wstępnego wypiekania w próżni, aby usunąć jak najwięcej lotnych związków z twoich płyt.

Standardy i wytyczne dotyczące wydzielania gazów

Istnieją trzy powszechnie cytowane standardy opisujące procedury testów wydzielania gazów i wymagania dotyczące wydajności. Obejmują one:

• IPC-1601 - Ten standard określa proces wypiekania, którego celem jest usunięcie większości zanieczyszczeń, które mogą zostać uwięzione w kompozytach epoksydowo-szklanych. Standard wymaga wypiekania gołej płytki PCB w zakresie temperatur 100 do 125 °C.
• SP-R-0022A - Ten standard NASA wymienia dopuszczalne limity wygazowania z zestawów materiałów używanych w PCB, które będą rozmieszczone w przestrzeni kosmicznej. W tym standardzie wymieniona jest również procedura testowa.
• ASTM E595-07 - Ten standard od ASTM International (dawniej znany jako American Society for Testing and Materials) definiuje procedurę testową dla bezpośredniego pomiaru lotnych substancji wydzielających się z materiałów PCB.

Większość zakładów produkcyjnych domyślnie stosuje standard IPC, gdy jest żądane wypiekanie. Jeśli istnieje standard branżowy, który ma zastosowanie do Twojego produktu, upewnij się, że zostanie on przestrzegany przez Twoją firmę montażową. Można to określić w notatkach montażowych Twojej płytki.

Więcej wskazówek od NASA na temat projektowania pod kątem niezawodności i wygazowania można znaleźć w tych zasobach:

• Techniki Wysokiego Napięcia w Zastosowaniach Kosmicznych
• Wymagania Stabilności Próżniowej Materiałów Polimerowych dla Zastosowań w Statkach Kosmicznych
• Materiały Interfejsu Cieplnego (TIMs) i Wyzwania, z Którymi Mierzą się Dostawcy TIM

Zauważ, że nawet jeśli wypieczesz swoją PCB, nie zabezpieczysz całkowicie swojej płyty przed ponownym wchłanianiem wilgoci. Woda może nadal adsorbować na powierzchniach, które zostały uprzednio wypieczone i potraktowane; to samo dotyczy płyt potraktowanych powłoką konformalną. Dlatego, kiedykolwiek płyta jest wystawiona na powietrze, zawsze będzie pewna mała ilość resztkowej wilgoci, która następnie desorbuje przy wysokiej temperaturze/ciśnieniu.

Kiedy potrzebujesz zaprojektować elektronikę o wysokiej niezawodności dla swojego kolejnego produktu, użyj kompletnego zestawu funkcji CAD w Altium Designer^®, aby zbudować swoje najbardziej zaawansowane urządzenia. Kiedy skończysz projekt, i chcesz wysłać pliki do swojego producenta, platforma Altium 365^™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów.

Dopiero zaczynamy odkrywać możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.