Как подготовить вашу печатную плату к выгазированию в системах сверхвысокого вакуума

Нет идеальных материалов для печатных плат, и это утверждение особенно касается материалов, используемых для изготовления ПП. Материалы, используемые в стеке ПП, представляют собой композитные ламинаты, содержащие стекловолоконное плетение и наполнитель из смолы. Смола содержит множество органических соединений и летучих материалов, которые могут подвергаться выгазированию. Всегда присутствует некоторое небольшое количество выгазирования, но при определенных условиях скорость выгазирования может увеличиваться. Это явление, происходящее в условиях высокого вакуума, может мешать или разрушать близлежащие инструменты.

Если вы разрабатываете печатные платы для сверхвысокого вакуума (UHV) или платы, которые будут подвергаться термическим циклам, вам нужно будет определить, как уменьшить выгазирование ПП. В идеальном мире мы могли бы устранить выгазирование, но на практике вы можете только уменьшить или подавить выгазирование готового продукта. Области применения, такие как космос, электрооптика и точные приборы, все зависят от низкого выгазирования, особенно когда устройства используются в суровых условиях.

Что такое выгазирование ПП и почему это важно?

Выгазирование (или отгазирование) происходит, когда газы, захваченные в материале, переносятся к поверхности материала и высвобождаются во внешнюю среду. Это естественный процесс, связанный с тремя основными механизмами массопереноса:

• Диффузия, при которой транспортировка летучих веществ внутри ламината происходит под действием градиента концентрации
• Десорбция, при которой летучие вещества выделяются с поверхностных участков материала
• Испарение, при котором летучие вещества выделяются в результате фазового перехода в газообразное состояние

В обычных условиях основными механизмами, вызывающими выделение газов, являются диффузия и десорбция. Изменения в окружающей среде могут изменить скорость выделения газов, например, изменения температуры или давления окружающей среды, в которой эксплуатируется плата. Это приводит к трем общим случаям, когда во время эксплуатации вероятно выделение газов: во время пайки волной/переплавом, в высоком вакууме и при работе при повышенной температуре.

Выделение газов во время пайки

Когда печатная плата проходит через автоматизированный процесс пайки, в частности волной или переплавом, происходит некоторое выделение газов. Во время процесса плата нагревается до повышенной температуры, либо из-за высокой температуры расплавленного припоя, либо из-за высокой температуры печи. Во время термического воздействия на высокую температуру печатная плата начинает выделять захваченные газы и влагу, в основном из объема ламината печатной платы.

Решение здесь заключается в предварительном прогреве голой печатной платы перед пайкой. Типичная температура предварительного прогрева составляет от 100 до 120 °C или выше, и это может быть выполнено в вакууме, когда конечное устройство предназначено для аэрокосмического применения, как описано ниже. Предварительным прогревом платы вы удаляете остаточную влагу из материала печатной платы.

Выделение газов в высоком вакууме

Выделение газов может происходить также в вакууме, даже если плата не находится при повышенной температуре. Причина этого заключается в том, что скорости диффузии зависят от температуры и давления. Таким образом, если давление в окружающей среде падает, диффузионный поток летучих веществ будет выше, поскольку нет воздушного давления, которое могло бы блокировать диффузию. Кроме того, испарение может происходить, когда вакуум достаточно высок. Это типичная проблема, возникающая в системах, работающих в космосе, как в герметизированных (космические корабли), так и в негерметизированных системах (спутники).

Выделение газов при высокой температуре

Когда плата, содержащая остаточную влагу и другие летучие вещества, нагревается до высокой температуры, скорость выделения газов увеличивается. При нагревании выше точки кипения воды, влага, захваченная в объеме ламината печатной платы, мигрирует к поверхности и испаряется, таким образом скорость выделения газов увеличивается. Выделение газов будет продолжаться до тех пор, пока печатная плата не будет охлаждена или пока содержание влаги в печатной плате не иссякнет. Это должно объяснить, почему рекомендуется выпекать печатные платы перед сборкой в волновом или рефлоу-процессе; предварительный процесс выпекания заставит удалить летучие вещества из материала печатной платы (см. ниже для получения дополнительной информации).

Следует отметить, что некоторые системы могут испытывать крайности температурных циклов и работать в условиях высокого вакуума, например, оборудование, используемое в космосе. Электроника, используемая в спутниках, например, защищена от температурных воздействий лишь отчасти, но современные спутники не герметизированы и не находятся под давлением. В результате, они очень быстро переходят в условия грубого вакуума при выведении на орбиту, и корпус в конечном итоге стабилизируется в условиях высокого вакуума.

Почему выделение газов является проблемой

Выделение газов может стать большой проблемой для печатных плат, поскольку материалы ПП являются пористыми композитами и склонны улавливать газы и влагу в процессе изготовления. Проблема выделения газов заключается в том, что десорбированные/испарившиеся летучие вещества могут конденсироваться на холодной поверхности и становиться загрязнителями. Это вызывает множество проблем в системах, используемых для точных измерений, визуализации, датчиков и химического анализа. В беспилотных системах это проблема, потому что рядом не будет человека, который мог бы обслуживать систему и удалять загрязнители. Одна из самых простых

Важно отметить, что выделение газов происходит не только с поверхности и из материалов ПП. Когда ПП внедряется в более крупную систему, появляются корпус, кабели и провода, а также специальные материалы, такие как теплопроводящие составы или экранирующие составы. Любой из этих материалов может выделять газы. При помещении в вакуум выделение газов всегда будет больше, поскольку скорости десорбции и диффузии выше, а испарение также происходит. Все эти материалы

Как подавить выделение газов

Существуют некоторые простые шаги проектирования и производства, которые могут помочь уменьшить выделение газов из ПП и других материалов, используемых в сборке. Они перечислены в следующей таблице:

Производители выпекают свои печатные платы с одной целью, которая служит различным задачам: удаление влаги. Вода, застрявшая в материалах печатной платы, может выделяться или испаряться и выходить в виде газа во время пайки рефлоу, волновой пайки, температурного циклирования и работы в вакууме. Предварительное выпекание пытается удалить летучие соединения внутри ламината ПП, с особым вниманием к избыточной влаге. Если ПП будет использоваться в вакуумной среде, то вам нужно будет предварительно выпекать вашу ПП в высоком вакууме. Это поможет обеспечить наличие как можно меньшего количества остаточной влаги, а также минимальную концентрацию любых других летучих веществ, застрявших в ламинате ПП.

Выбор подходящих материалов для печатной платы ключевой при попытке снизить выделение газов. Если вам нужны материалы с низким выделением газов для вашей ПП, такие продукты, как серия RT/duroid от компании Rogers Corporation. Материалы для гибких схем (Kapton) также демонстрируют низкое выделение газов. Вы также должны начать сборку, обсудив с вашим производителем использование процесса предварительного выпекания в вакууме для удаления как можно большего количества летучих веществ с ваших плат.

Стандарты и руководства по выделению газов

Существует три общепринятых стандарта, описывающих процедуры испытаний на выделение газов и требования к производительности. Включают:

• IPC-1601 - Этот стандарт определяет процесс просушки, направленный на удаление большинства загрязнителей, которые могут оказаться в ловушке в композитах на основе эпоксидной смолы и стекловолокна. Стандарт требует просушки голой печатной платы в диапазоне температур от 100 до 125 °C.
• SP-R-0022A - Этот стандарт NASA перечисляет допустимые пределы выделения газов из материалов, используемых в печатных платах, которые будут развернуты в космосе. В этом стандарте также указана процедура тестирования.
• ASTM E595-07 - Этот стандарт от ASTM International (ранее известного как Американское общество по испытаниям и материалам) определяет процедуру тестирования для прямого измерения летучих веществ, выделяемых из материалов печатных плат.

Большинство производственных предприятий по умолчанию будут придерживаться стандарта IPC, когда запрашивается предварительная просушка. Если существует отраслевой стандарт, который применим к вашему продукту, убедитесь, что вы запросили его соблюдение вашим сборочным предприятием. Это можно указать в заметках к сборке вашей платы.

Больше рекомендаций от NASA по проектированию на надежность и выделение газов можно найти в этих ресурсах:

• Техники высоковольтной инженерии для космических приложений
• Требования к стабильности в вакууме полимерных материалов для использования в космических аппаратах
• Термоинтерфейсные материалы (TIMs) и проблемы, с которыми сталкиваются поставщики TIM

Обратите внимание, что даже если вы предварительно просушите вашу печатную плату, вы не сможете полностью защитить ее от повторного поглощения влаги. Вода все еще может адсорбироваться на поверхностях, которые были обработаны и предварительно просушены; то же самое касается обработанных плат с нанесенным защитным покрытием. Поэтому, когда плата подвергается воздействию воздуха, всегда будет некоторое количество остаточной влаги, которая затем десорбируется при высокой температуре/давлении.

Когда вам нужно спроектировать электронику высокой надежности для вашего следующего продукта, используйте полный набор функций CAD в Altium Designer^® для создания ваших самых передовых устройств. Когда вы закончите проектирование и захотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365^™ упрощает сотрудничество и обмен проектами.

Мы только коснулись поверхности возможностей Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.