Cách Chuẩn Bị PCB của Bạn cho Việc Thoát Khí trong Hệ Thống Chân Không Cực Cao

Không có vật liệu PCB nào là hoàn hảo, và phát biểu này đặc biệt áp dụng cho các vật liệu được sử dụng để xây dựng PCB. Các vật liệu được sử dụng trong một cấu trúc PCB là các lớp ghép composite chứa một lưới sợi thủy tinh và một chất độn nhựa. Nhựa chứa một lượng lớn các hợp chất hữu cơ và vật liệu dễ bay hơi có thể trải qua quá trình thoát khí. Luôn có một lượng nhỏ khí thoát ra, nhưng dưới một số điều kiện nhất định, tốc độ thoát khí sẽ tăng lên. Đây là một hiện tượng xảy ra trong môi trường chân không cao và có thể cản trở hoặc hỏng hóc các thiết bị lân cận.

Nếu bạn đang thiết kế PCB cho chân không cực cao (UHV), hoặc các bảng mạch sẽ được chu trình nhiệt, bạn sẽ cần xác định cách giảm thiểu thoát khí từ PCB. Trong một thế giới lý tưởng, chúng ta sẽ có thể loại bỏ hoàn toàn thoát khí, nhưng trên thực tế bạn chỉ có thể giảm bớt hoặc ngăn chặn thoát khí từ một sản phẩm đã hoàn thiện. Các lĩnh vực ứng dụng như không gian, điện quang học, và đo lường chính xác đều dựa vào việc thoát khí thấp, đặc biệt khi các thiết bị được triển khai trong môi trường khắc nghiệt.

Thoát Khí PCB là gì và Tại sao lại Quan trọng?

Thoát khí (hoặc thoát hơi) xảy ra khi khí bị mắc kẹt trong một vật liệu trải qua quá trình chuyển khối lượng đến bề mặt của vật liệu và được kéo vào môi trường bên ngoài. Đây là một quá trình tự nhiên liên quan đến ba cơ chế chuyển khối lượng cơ bản:

• Sự khuếch tán, nơi mà sự vận chuyển các chất dễ bay hơi bên trong lớp cốt liệu được thúc đẩy bởi một gradient nồng độ
• Sự thoát khí, nơi mà các chất dễ bay hơi được giải phóng từ các điểm bề mặt trong vật liệu
• Sự bay hơi, nơi mà các chất dễ bay hơi được phát ra do sự thay đổi pha thành pha khí

Trong điều kiện môi trường bình thường, các cơ chế chính mà sự thoát khí xảy ra là khuếch tán và thoát khí. Sự thay đổi trong môi trường xung quanh sẽ thay đổi tốc độ thoát khí, như sự thay đổi về nhiệt độ hoặc áp suất môi trường nơi bảng mạch được vận hành. Điều này dẫn đến ba trường hợp phổ biến mà sự thoát khí có khả năng xảy ra trong quá trình vận hành: trong quá trình hàn sóng/hàn lại, trong chân không cao, và khi hoạt động ở nhiệt độ cao.

Sự Thoát Khí Trong Quá Trình Hàn

Khi một PCB được đưa qua quá trình hàn tự động, cụ thể là hàn sóng hoặc hàn lại, sẽ có một số sự thoát khí. Trong quá trình đó, bảng mạch sẽ được nâng lên nhiệt độ cao, hoặc do nhiệt độ cao của hàn chảy hoặc do nhiệt độ cao của lò. Trong quá trình nhiệt độ cao, PCB sẽ bắt đầu giải phóng khí và hơi nước bị kẹt, chủ yếu từ phần lớn của lớp cốt liệu PCB.

Giải pháp ở đây là sấy khô bảng mạch PCB trần trước khi hàn. Nhiệt độ sấy khô tiêu biểu là từ 100-120 °C hoặc cao hơn, và việc này có thể được thực hiện trong chân không khi thiết bị cuối cùng nhắm đến ứng dụng hàng không vũ trụ, như được mô tả dưới đây. Bằng cách sấy khô bảng mạch, bạn đang loại bỏ độ ẩm còn sót lại từ vật liệu PCB chính.

Thoát Khí trong Chân Không Cao

Thoát khí cũng có thể xảy ra trong chân không, ngay cả khi bảng mạch không ở nhiệt độ cao. Lý do cho điều này là vì tốc độ khuếch tán phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất. Vì vậy, nếu áp suất trong môi trường xung quanh giảm, dòng khuếch tán của chất bay hơi sẽ cao hơn vì không có áp suất không khí nào có thể chặn khuếch tán. Ngoài ra, sự bay hơi có thể xảy ra khi chân không đủ cao. Điều này thường là vấn đề xảy ra trong các hệ thống hoạt động trong không gian, cả trong hệ thống có áp suất (tàu vũ trụ) và hệ thống không áp suất (vệ tinh).

Thoát Khí ở Nhiệt Độ Cao

Khi một tấm mạch chứa độ ẩm còn sót lại và các chất bay hơi khác được đưa lên nhiệt độ cao hơn, tốc độ thoát khí sẽ tăng lên. Khi được đưa lên trên điểm sôi của nước, độ ẩm mắc kẹt trong khối vật liệu laminate của PCB sẽ di chuyển về phía bề mặt và bay hơi, do đó tốc độ thoát khí tăng lên. Quá trình thoát khí sẽ tiếp tục cho đến khi PCB được đưa về nhiệt độ thấp hơn hoặc cho đến khi lượng độ ẩm trong PCB cạn kiệt. Điều này nên giải thích tại sao lại khuyến nghị nung PCB trước khi lắp ráp trong quy trình sóng hoặc reflow; quá trình nung trước sẽ buộc loại bỏ các chất bay hơi khỏi vật liệu PCB (xem thêm thông tin bên dưới).

Lưu ý rằng một số hệ thống có thể trải qua cực đoan của chu kỳ nhiệt và hoạt động ở chân không cao, ví dụ, thiết bị triển khai trong không gian. Điện tử sử dụng trong vệ tinh, chẳng hạn, chỉ được bảo vệ về mặt nhiệt độ một cách tương đối, nhưng vệ tinh hiện đại không được niêm phong hoặc áp suất. Kết quả là, chúng nhanh chóng đạt đến chân không thô khi được đặt vào quỹ đạo, và vỏ bọc cuối cùng sẽ ổn định ở môi trường chân không cao.

Tại sao Thoát Khí lại là Vấn Đề

Khí thoát ra có thể là một vấn đề lớn trong các bảng mạch vì các vật liệu PCB là các hợp chất xốp, và chúng có xu hướng giữ khí và độ ẩm trong quá trình sản xuất. Vấn đề với khí thoát ra là các chất bay hơi/được hóa hơi có thể ngưng tụ trên bề mặt lạnh và trở thành chất gây ô nhiễm. Điều này gây ra nhiều vấn đề trong các hệ thống được sử dụng cho đo lường chính xác, hình ảnh, cảm biến và phân tích hóa học. Trong các hệ thống không người lái, đây là một vấn đề vì sẽ không có con người nào xung quanh để bảo dưỡng hệ thống và loại bỏ chất gây ô nhiễm. Một trong những điểm quan trọng cần lưu ý là khí thoát ra không chỉ xảy ra từ bề mặt và vật liệu khác ngoài PCB. Khi PCB được tích hợp vào một hệ thống lớn hơn, sẽ có vỏ bọc, cáp và dây, và các vật liệu đặc biệt như hợp chất dẫn nhiệt hoặc hợp chất chống bức xạ. Bất kỳ vật liệu nào trong số này cũng có thể thể hiện khí thoát ra. Khi được đưa vào chân không, khí thoát ra sẽ luôn cao hơn vì tốc độ hấp thụ và khuếch tán cao hơn, và sự bay hơi cũng sẽ xảy ra. Tất cả các vật liệu này

Cách Giảm Thiểu Khí Thoát Ra

Có một số bước thiết kế và sản xuất đơn giản có thể giúp giảm thiểu khí thoát ra từ PCB và các vật liệu khác được sử dụng trong việc lắp ráp. Các bước này được liệt kê trong bảng sau:

Các nhà sản xuất nướng bảng mạch in của họ với một mục đích phục vụ nhiều mục tiêu: để loại bỏ độ ẩm. Nước bị mắc kẹt trong vật liệu bảng mạch có thể thoát ra hoặc hóa hơi và thoát khí trong quá trình hàn reflow, hàn sóng, chu kỳ nhiệt độ và hoạt động trong chân không. Việc nướng trước cố gắng loại bỏ các hợp chất bay hơi trong nội thất của lớp phủ PCB, với trọng tâm cụ thể là loại bỏ độ ẩm dư thừa. Nếu PCB sẽ được triển khai trong một môi trường chân không, thì bạn sẽ cần phải nướng trước PCB của mình trong một chân không cao. Điều này sẽ giúp đảm bảo có ít độ ẩm còn sót lại nhất có thể, cũng như nồng độ tối thiểu của bất kỳ chất bay hơi nào khác bị mắc kẹt trong lớp phủ PCB.

Chọn vật liệu bảng mạch in phù hợp là chìa khóa khi cố gắng giảm thiểu khí thoát ra. Nếu bạn cần vật liệu ít khí thoát ra cho PCB của mình, sản phẩm như dòng RT/duroid của Rogers Corporation. Vật liệu mạch linh hoạt (Kapton) cũng thể hiện khí thoát ra thấp. Bạn cũng nên bắt đầu xây dựng của mình bằng cách nói chuyện với nhà sản xuất của mình về việc sử dụng quy trình nướng trước chân không để loại bỏ càng nhiều chất bay hơi càng tốt từ bảng mạch của bạn.

Tiêu chuẩn và Hướng dẫn về Khí Thoát Ra

Có ba tiêu chuẩn thường được trích dẫn mô tả các thủ tục kiểm tra khí thoát ra và yêu cầu về hiệu suất. Bao gồm:

• IPC-1601 - Tiêu chuẩn này quy định một quy trình sấy nhằm mục tiêu loại bỏ hầu hết các chất ô nhiễm có thể bị mắc kẹt trong composite epoxy-fiberglass. Tiêu chuẩn yêu cầu sấy một PCB trần ở khoảng nhiệt độ từ 100 đến 125 °C.
• SP-R-0022A - Tiêu chuẩn của NASA này liệt kê các giới hạn chấp nhận được về khí thoát ra từ các bộ vật liệu được sử dụng trong PCB sẽ được triển khai trong không gian. Cũng có một quy trình kiểm tra được liệt kê trong tiêu chuẩn này.
• ASTM E595-07 - Tiêu chuẩn này từ ASTM International (trước đây được biết đến với tên gọi American Society for Testing and Materials) định nghĩa một quy trình kiểm tra trực tiếp đo lượng khí thoát ra từ vật liệu PCB.

Hầu hết các nhà sản xuất sẽ mặc định áp dụng tiêu chuẩn IPC khi có yêu cầu sấy trước. Nếu có một tiêu chuẩn ngành nào áp dụng cho sản phẩm của bạn, hãy đảm bảo yêu cầu nhà lắp ráp của bạn tuân theo. Điều này có thể được chỉ định trong ghi chú lắp ráp của bo mạch của bạn.

Thêm hướng dẫn từ NASA về thiết kế cho độ tin cậy và khí thoát ra có thể được tìm thấy trong các tài liệu này:

• Kỹ Thuật Điện Áp Cao Cho Ứng Dụng Không Gian
• Yêu Cầu Ổn Định Chân Không của Vật Liệu Polyme Cho Ứng Dụng Tàu Vũ Trụ
• Vật Liệu Giao Diện Nhiệt (TIMs) và Thách Thức Đối với Nhà Cung Cấp TIM

Lưu ý rằng ngay cả khi bạn đã sấy khô PCB của mình, bạn không thể bảo vệ hoàn toàn bảng mạch của mình khỏi việc hấp thụ lại độ ẩm. Nước vẫn có thể adsorb lên bề mặt đã được sấy khô và xử lý trước; điều tương tự áp dụng cho các bảng mạch đã được xử lý và phủ một lớp phủ bảo vệ. Do đó, bất cứ khi nào bảng mạch tiếp xúc với không khí, sẽ luôn có một lượng nhỏ độ ẩm còn sót lại, sau đó sẽ thoát ra ở nhiệt độ/áp suất cao.

Khi bạn cần thiết kế điện tử độ tin cậy cao cho sản phẩm tiếp theo của mình, hãy sử dụng bộ tính năng CAD đầy đủ trong Altium Designer^® để xây dựng các thiết bị tiên tiến nhất của bạn. Khi bạn đã hoàn thành thiết kế và muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất, nền tảng Altium 365^™ giúp bạn dễ dàng hợp tác và chia sẻ dự án của mình.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.