惡劣和極端環(huán)境中的PCB - 如何定義極端環(huán)境

在惡劣和極端環(huán)境中使用的PCB，意味著需要在極端的溫度、濕度、持續(xù)振動(dòng)、強(qiáng)烈沖擊和其他可能影響可靠性及其正常性能的條件下工作。要設(shè)計(jì)和制造此類PCB，你需要有扎實(shí)的行業(yè)知識(shí)、工具和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。在本文的上下部分，我們將討論如何定義極端環(huán)境，以及如何設(shè)計(jì)在此類環(huán)境中工作的PCB。

如何定義“極端環(huán)境”，這是個(gè)非常廣泛的議題。由于不同行業(yè)和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Νh(huán)境要求的差異，“極端環(huán)境”的定義變得非常模糊。在醫(yī)療行業(yè)，這可能意味著高溫、高壓、高濕和高輻射等條件，而在航空航天領(lǐng)域，可能指的是極寒、低氣壓、強(qiáng)震動(dòng)等極端條件。

只有在充分了解產(chǎn)品需求和應(yīng)用場(chǎng)景的基礎(chǔ)上，PCB制造商才能制定相應(yīng)的設(shè)計(jì)和材料選擇策略，從而為客戶提供安全可靠的PCB解決方案。

2022年底，我完成了為期六周的關(guān)于軍事、航空航天和其他極端環(huán)境中的PCB的IPC認(rèn)證課程。這門課程深入淺出地讓我了解如何運(yùn)用知識(shí)和工具，為相關(guān)行業(yè)的客戶提供技術(shù)支持。無論是航空航天、軍事還是工業(yè)應(yīng)用，惡劣的環(huán)境都意味著，PCB需要在極端的溫度、濕度、持續(xù)振動(dòng)、沖擊和其他可能影響可靠性及其正常性能的條件下工作。

我覺得有必要將這些知識(shí)分享給我們的客戶和合作伙伴。在本文的上半部分，我將首先舉例一些應(yīng)用和產(chǎn)品，以及為什么說它們是在極端環(huán)境中工作，下半部分，我將更多地介紹相關(guān)的技術(shù)要點(diǎn)，以及如何設(shè)計(jì)這些環(huán)境中的PCB。

產(chǎn)品和應(yīng)用示例

航空航天

慣性測(cè)量單元（IMU）是一種用于測(cè)量飛機(jī)、航天器或?qū)椀姆轿?、速度和加速度?a target="_blank">電子設(shè)備。它們?yōu)轱w行控制和導(dǎo)航提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)支持，對(duì)于在惡劣的航空航天環(huán)境中保持安全和精確的飛行操作至關(guān)重要。

深海

自主水下航行器（AUV）是一種在沒有系繩或遙控器的情況下操作的機(jī)器人航行器，使用船上的傳感器和導(dǎo)航系統(tǒng)在深海環(huán)境中導(dǎo)航或執(zhí)行任務(wù)。AUV可承擔(dān)多種任務(wù)，如水下測(cè)繪、海洋探索、石油和天然氣勘測(cè)等。

井下鉆進(jìn)

隨鉆測(cè)量工具（MWD）是在鉆井作業(yè)過程中安裝的電子設(shè)備，用于測(cè)量各種參數(shù)，如溫度、壓力和井眼軌跡。隨鉆測(cè)量工具將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛?a target="_blank">控制系統(tǒng)，使鉆探人員能夠根據(jù)實(shí)時(shí)情況調(diào)整鉆井參數(shù)。

國防

用于國防的通信系統(tǒng)是一種專用電子設(shè)備，需要可靠耐用堅(jiān)固，能夠在極端溫度、濕度、沖擊和振動(dòng)等環(huán)境中正常工作，為國防人員提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)和通信能力。

在極端環(huán)境中，PCB可能會(huì)受到哪些影響？

除上述的產(chǎn)品和應(yīng)用外，還有很多其他產(chǎn)品也正經(jīng)受著極端環(huán)境的考驗(yàn)?，F(xiàn)在，讓我們來看看在極端環(huán)境中的PCB可能會(huì)受到哪些影響？

濕氣和腐蝕

水或濕氣可能滲入PCB，造成腐蝕或氧化，導(dǎo)致PCB及其部件隨著時(shí)間的推移而失效。特別是在海下應(yīng)用中，由于海水的腐蝕性，可能會(huì)加劇這一問題。

壓強(qiáng)

在例如深海、太空等環(huán)境中，高壓廣泛存在。根據(jù)應(yīng)用深度（高度）和類型的不同，PCB可能會(huì)受到不同程度的壓強(qiáng)，這會(huì)影響PCB的機(jī)械完整性。在太空的真空環(huán)境中，由于缺乏大氣壓，PCB會(huì)遇到許多不同的問題。

溫度

在這里，我們不僅僅指高溫或冰點(diǎn)以下的溫度，還關(guān)注諸如海洋中的溫度變化，或者更細(xì)節(jié)的，太空中衛(wèi)星的工作溫度可能會(huì)根據(jù)與太陽的相對(duì)位置和方向而變化。如果衛(wèi)星處于太陽直射位置，由于太陽的強(qiáng)熱，它們可能遭受極端溫度的影響。陽面的溫度可能達(dá)到200℃（392℉）或更高，而陰面的溫度可能低至-200℃（-328℉）或更低。

振動(dòng)和沖擊

這些應(yīng)用環(huán)境會(huì)使PCB受到猛烈沖擊或持續(xù)處于振動(dòng)狀態(tài)中，對(duì)PCB及其組件造成損壞。比如狂風(fēng)，當(dāng)我在美國空軍時(shí)，我看到F-16在跑道上滑行，它們的加速度和受力是令人難以置信的強(qiáng)度，PCB需要經(jīng)受住這種劇烈而快速的加速。

EMI/RFI干擾

在某些環(huán)境中，PCB可能會(huì)受到電磁干擾（EMI）或射頻干擾（RFI），這會(huì)影響PCB及其組件的性能。

其他極端環(huán)境危害

除上述的極端環(huán)境下，還有諸如風(fēng)暴、泥沙、灰塵和碎片等工作環(huán)境，這些環(huán)境也會(huì)對(duì)處于其中的PCB造成損壞或影響其性能。

極端環(huán)境下，可靠PCB的必要性

最后，讓我們?cè)購?qiáng)調(diào)一下極端環(huán)境中的產(chǎn)品最關(guān)鍵的特點(diǎn)，它們需要是可靠的。在這里，沒有退而求其次。這不是我的烤面包機(jī)，我可以去買另一個(gè)，或者如果它壞了、故障了，我可以不用它。這些產(chǎn)品，往往不允許失效，畢竟，把一磅質(zhì)量放到太空中，就需要花費(fèi)大約1萬美元。

我們必須在確保關(guān)鍵電子系統(tǒng)安全和可靠的前提下，設(shè)計(jì)PCB。必須要意識(shí)到，即便是單個(gè)PCB的故障，也可能造成嚴(yán)重后果，小到設(shè)備無法使用，大到生命、財(cái)產(chǎn)或關(guān)鍵任務(wù)信息的損失。因此，PCB設(shè)計(jì)者和供應(yīng)商都必須格外謹(jǐn)慎，確保他們的產(chǎn)品滿足這些應(yīng)用環(huán)境所需的高可靠性標(biāo)準(zhǔn)。
我將在本課題的下半部分詳細(xì)討論這一點(diǎn)。

審核編輯 黃宇