Como Preparar Sua PCB para Desgaseificação em Sistemas de Vácuo Ultra-Alto

Nenhum material de PCB é perfeito, e essa afirmação se aplica particularmente aos materiais usados para construir PCBs. Os materiais utilizados em um empilhamento de PCB são laminados compostos contendo uma trama de fibra de vidro e um enchimento de resina. A resina contém uma riqueza de compostos orgânicos e materiais voláteis que podem sofrer desgaseificação. Sempre há uma pequena quantidade de desgaseificação, mas sob certas condições, a taxa de desgaseificação aumentará. Este é um fenômeno que ocorre em ambientes de alto vácuo e pode prejudicar ou arruinar instrumentos próximos.

Se você está projetando PCBs para vácuo ultra-alto (UHV), ou placas que serão submetidas a ciclos térmicos, você precisará determinar como reduzir a desgaseificação de PCBs. Em um mundo ideal, seríamos capazes de eliminar a desgaseificação, mas na realidade você só pode reduzir ou suprimir a desgaseificação de um produto acabado. Áreas de aplicação como espaço, eletro-ótica e instrumentação de precisão dependem de baixa desgaseificação, especialmente quando os dispositivos são implantados em um ambiente hostil.

O que é Desgaseificação de PCB e Por Que Isso Importa?

A desgaseificação (ou offgassing) ocorre quando gases presos em um material sofrem transferência de massa para a superfície do material e são liberados para o ambiente externo. É um processo natural que está relacionado a três mecanismos fundamentais de transferência de massa:

• Difusão, onde o transporte de voláteis dentro do laminado é impulsionado por um gradiente de concentração
• Desorção, onde voláteis são desorvidos de locais na superfície de um material
• Vaporização, onde voláteis são emitidos devido a uma mudança de fase para a fase gasosa

Em condições ambientes, os principais mecanismos pelos quais a exsudação ocorre são difusão e desorção. Mudanças no ambiente circundante alterarão a taxa de exsudação, como mudanças na temperatura ou na pressão ambiental onde a placa está sendo operada. Isso leva a três instâncias comuns onde a exsudação é provável de ocorrer durante a operação: durante a soldagem por onda/refluxo, em alto vácuo e quando operada em temperatura elevada.

Exsudação Durante a Soldagem

Quando uma PCB é submetida a um processo de soldagem automatizado, especificamente onda ou refluxo, haverá alguma exsudação. Durante o processo, a placa será elevada a uma temperatura elevada, seja pelo calor intenso do solda derretida ou pelo calor alto do forno. Durante a excursão térmica para alta temperatura, a PCB começará a liberar gases e umidade presos, principalmente do bulk do laminado da PCB.

A solução aqui é pré-aquecer a PCB nua antes da soldagem. A temperatura típica de pré-aquecimento varia de 100 a 120 °C ou mais, e isso pode ser feito a vácuo quando o dispositivo final visa uma aplicação aeroespacial, conforme descrito abaixo. Ao pré-aquecer a placa, você está removendo a umidade residual do material da PCB em massa.

Desgaseificação em Alto Vácuo

A desgaseificação também pode ocorrer em vácuo, mesmo que a placa não esteja em uma temperatura elevada. A razão para isso é que as taxas de difusão são dependentes da temperatura e da pressão. Então, se a pressão no ambiente ao redor cair, o fluxo difusivo de voláteis será maior porque não há pressão do ar que possa bloquear a difusão. Além disso, a vaporização pode ocorrer quando o vácuo é alto o suficiente. Isso é tipicamente um problema que ocorre em sistemas operando no espaço, tanto em sistemas pressurizados (nave espacial) quanto em sistemas não pressurizados (satélites).

Desgaseificação em Alta Temperatura

Quando uma placa que contém umidade residual e outros voláteis é submetida a uma temperatura mais alta, a taxa de desgaseificação aumentará. Quando elevada acima do ponto de ebulição da água, a umidade presa no interior do material laminado da PCB migrará em direção à superfície e vaporizará, aumentando assim a taxa de desgaseificação. A desgaseificação continuará até que a PCB seja resfriada a uma temperatura mais baixa ou até que o conteúdo de umidade na PCB seja esgotado. Isso deve explicar por que é recomendado assar as PCBs antes da montagem em um processo de onda ou refusão; o processo de pré-assagem forçará a remoção de voláteis do material da PCB (veja abaixo para mais informações).

Note que alguns sistemas podem experimentar extremos de ciclos térmicos e operar em alto vácuo, por exemplo, equipamentos implantados no espaço. Eletrônicos usados em satélites, por exemplo, são apenas um tanto protegidos termicamente, mas os satélites modernos não são selados ou pressurizados. Como resultado, eles chegam a um vácuo aproximado muito rapidamente quando colocados em órbita, e a estrutura eventualmente se estabilizará em um ambiente de alto vácuo.

Por Que a Desgaseificação é um Problema

A desgaseificação pode ser um grande problema em placas de circuito porque os materiais de PCB são compostos porosos e tendem a reter gases e umidade durante o processo de fabricação. O problema com a desgaseificação é que os voláteis desorvidos/vaporizados podem condensar em uma superfície fria e se tornarem um contaminante. Isso causa múltiplos problemas em sistemas usados para medição de precisão, imagem, sensores e análise química. Em sistemas não tripulados, isso é um problema porque não haverá humanos por perto para manter o sistema e remover contaminantes. Um dos pontos importantes a se notar é que a desgaseificação ocorre de outras superfícies e materiais além do PCB. Quando o PCB é implementado em um sistema maior, haverá uma caixa, cabos e fios, e materiais especiais como compostos térmicos ou compostos de blindagem. Qualquer um desses outros materiais pode exibir desgaseificação. Quando levados ao vácuo, a desgaseificação sempre será maior, pois as taxas de desorção e difusão são mais altas, e a vaporização também ocorrerá. Todos esses materiais

Como Suprimir a Desgaseificação

Existem alguns passos simples de design e produção que podem ajudar a reduzir a desgaseificação de um PCB e outros materiais usados na montagem. Estes estão listados na tabela a seguir:

Fabricantes submetem suas placas de circuito impresso a um processo de aquecimento com um propósito que serve a vários fins: remover a umidade. A água presa nos materiais da placa de circuito pode desorver ou vaporizar e liberar gases durante a soldagem por refusão, soldagem por onda, ciclos de temperatura e operação em vácuo. A pré-aquecimento tenta remover compostos volatilizados no interior do laminado da PCB, com um foco específico no excesso de umidade. Se a PCB for implantada em um ambiente a vácuo, então você precisará pré-aquecer sua PCB em um alto vácuo. Isso ajudará a garantir que haja o mínimo de umidade residual possível, bem como uma concentração mínima de quaisquer outros voláteis presos no laminado da PCB.

Escolher os materiais certos para a placa de circuito impresso é chave para reduzir a liberação de gases. Se você precisa de materiais com baixa emissão de gases para sua PCB, produtos como a série RT/duroid da Rogers Corporation são indicados. Materiais para circuitos flexíveis (Kapton) também apresentam baixa emissão de gases. Você também deve começar sua construção conversando com seu fabricante sobre o uso de um processo de pré-aquecimento a vácuo para remover o máximo possível de voláteis de suas placas.

Padrões e Orientações sobre Emissão de Gases

Existem três padrões comumente citados que descrevem procedimentos de teste de emissão de gases e requisitos de desempenho. Estes incluem:

• IPC-1601 - Este padrão especifica um processo de cozimento que visa a remoção da maioria dos contaminantes que podem ficar presos em compostos de epóxi-fibra de vidro. O padrão exige o cozimento de uma PCB nua na faixa de temperatura de 100 a 125 °C.
• SP-R-0022A - Este padrão da NASA lista limites aceitáveis de desgaseificação de conjuntos de materiais usados em PCBs que serão implantados no espaço. Também há um procedimento de teste listado neste padrão.
• ASTM E595-07 - Este padrão da ASTM International (anteriormente conhecida como American Society for Testing and Materials) define um procedimento de teste para medição direta da desgaseificação volátil de materiais de PCB.

A maioria das fábricas de montagem adotará o padrão IPC sempre que um pré-cozimento for solicitado. Se houver um padrão industrial que se aplique ao seu produto, certifique-se de solicitar que ele seja seguido pela sua casa de montagem. Isso pode ser especificado nas notas de montagem da sua placa.

Mais orientações da NASA sobre design para confiabilidade e desgaseificação podem ser encontradas nestes recursos:

• Técnicas de Engenharia de Alta Tensão para Aplicações Espaciais
• Requisitos de Estabilidade a Vácuo de Material Polimérico para Aplicação em Naves Espaciais
• Materiais de Interface Térmica (TIMs) e Desafios Enfrentados pelos Fornecedores de TIM

Note que, mesmo que você pré-asse sua PCB, não protegerá totalmente sua placa da reabsorção de umidade. A água ainda pode adsorver em superfícies que foram assadas e pré-tratadas; o mesmo se aplica a placas tratadas com uma camada conformal aplicada. Portanto, sempre que a placa estiver exposta ao ar, sempre haverá alguma pequena quantidade de umidade residual, que então desorverá em alta temperatura/pressão.

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