針對(duì)高海拔、振動(dòng)、沖擊和高溫等極端環(huán)境的PCB設(shè)計(jì)

在上篇中，我較多地談到了PCB在惡劣和極端環(huán)境中所面臨的挑戰(zhàn)和風(fēng)險(xiǎn)。這一次，我想更深入地探討有關(guān)極端環(huán)境下PCB設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。

當(dāng)我想到極端環(huán)境中特有的一些挑戰(zhàn)后，我再次驚嘆于強(qiáng)大的現(xiàn)代科技。海拔、振動(dòng)、沖擊和高溫的負(fù)面影響，不斷困擾著我們每天所依賴的電子設(shè)備，但人們?nèi)匀荒軌蛲黄浦貒?，將可靠的電子系統(tǒng)部署在這些嚴(yán)峻的環(huán)境中，并且確保它們能夠順利運(yùn)行。

海拔變化 - 對(duì)PCB有何影響？

PCB設(shè)計(jì)工程師必須要解決的一個(gè)挑戰(zhàn)是 - 空氣密度隨海拔變化而產(chǎn)生的影響。眾所周知，大氣的密度隨海拔增加而下降。在相同的電壓下，如果空氣密度降低，電場(chǎng)強(qiáng)度將增加，這就意味著在較高海拔下，電路中的氣體或絕緣材料可能更容易被擊穿，因此需要降低最高工作電壓來(lái)維持相同的絕緣特性。

那么，如何減緩這一現(xiàn)象呢？首先，參考IPC-2221第6節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范部分，有不少關(guān)于如何設(shè)計(jì)電氣間隙的內(nèi)容。其次，另一種防止電弧產(chǎn)生的方法，是在設(shè)計(jì)中使用圓角。具體來(lái)說(shuō)，就是在鋪銅區(qū)、焊盤(pán)以及線路彎折處等避免使用90°的內(nèi)外角設(shè)計(jì)。同時(shí)，工程師也需要考慮連接引腳，由于電路板的各區(qū)域可能關(guān)聯(lián)不同的電壓水平，因此在這些地方可能存在更大的電弧風(fēng)險(xiǎn)。有時(shí)候，連接器上會(huì)有未使用的引腳，如果間隔使用引腳，就可以獲得更大的電氣間隙。

持續(xù)振動(dòng)和猛烈沖擊 - 對(duì)PCB有何影響？

猛烈沖擊是指PCB在短時(shí)間內(nèi)承受高幅度位移的情況，而持續(xù)振動(dòng)則指PCB在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)持續(xù)進(jìn)行低幅度位移。外力使得PCB圍繞質(zhì)心擺動(dòng)，反過(guò)來(lái)會(huì)對(duì)PCB材料及連接點(diǎn)產(chǎn)生壓力。材料在PP與銅層間粘合處受到應(yīng)力，孔銅可能會(huì)出現(xiàn)斷裂。我們可以通過(guò)很多細(xì)節(jié)來(lái)減輕振動(dòng)和沖擊，關(guān)鍵是找到在保持機(jī)械穩(wěn)定性的同時(shí)要增加到系統(tǒng)中的最小質(zhì)量。以下是一些振動(dòng)和沖擊環(huán)境中的PCB設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：

針對(duì)振動(dòng)和沖擊的PCB設(shè)計(jì)

更多的安裝孔。更多的安裝孔意味著更多的固定點(diǎn)和更高的穩(wěn)定性，這也將允許在系統(tǒng)中安裝更多的減振裝置。

疊層設(shè)計(jì)。在課程中，我們會(huì)研究一些有趣的課題，比如為衛(wèi)星應(yīng)用設(shè)計(jì)電路板和疊層。對(duì)于將受到極端沖擊或振動(dòng)情況的PCB，確保PP有足夠的樹(shù)脂量來(lái)承受這些情況，是非常重要的。PP負(fù)責(zé)將各層粘合在一起，在承受振動(dòng)或沖擊時(shí)，PCB可能會(huì)彎曲，進(jìn)而在連接點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力。為了盡量減輕應(yīng)力，我們應(yīng)該考慮使用樹(shù)脂含量超過(guò)50%的PP。此外，使用兩張以上的PP是增加粘連強(qiáng)度的另一種方式，但這種方式適用性不高，因?yàn)橐骖?a target="_blank">信號(hào)完整性要求。如果不要求信號(hào)完整性，該怎么辦？如果3張PP粘連更牢靠，那么4張PP會(huì)更好，對(duì)嗎？有可能。但同時(shí)，我們需要考慮過(guò)多的PP將不利于層間對(duì)位。除非您的PCB供應(yīng)商有確切的寶我，否則我更建議最多使用3張PP。如果需要更厚的銅厚，但不能增加更多的PP，可以考慮在層壓結(jié)構(gòu)中使用無(wú)銅芯板。與PP不同，無(wú)銅芯板已經(jīng)固化，因此不會(huì)在壓合過(guò)程中增加任何樹(shù)脂。因此，不會(huì)犧牲層間的對(duì)準(zhǔn)精度。

內(nèi)部連接點(diǎn)。隨著PCB的振動(dòng)，導(dǎo)通孔也在振動(dòng)，這對(duì)于孔內(nèi)鍍銅層來(lái)說(shuō)，是一種考驗(yàn)。當(dāng)孔內(nèi)電鍍層受到應(yīng)力時(shí)，會(huì)有開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，隨時(shí)更換或維修都是不現(xiàn)實(shí)的。通過(guò)更厚的孔內(nèi)電鍍來(lái)提升PCB的可靠性，是一種途徑，但不適用于所有情況。

PCB和散熱管理

散熱管理是我想強(qiáng)調(diào)的最后一個(gè)挑戰(zhàn)。散熱管理的基本目標(biāo)是確保所有電路元件，特別是IC芯片，保持在各自的功能及最大的容許范圍內(nèi)。

電子產(chǎn)品內(nèi)產(chǎn)生的熱量是通過(guò)三種基本傳熱方式（傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流）進(jìn)行消散的。材料的導(dǎo)熱能力與其導(dǎo)熱系數(shù)、橫截面積及溫差相關(guān)。而輻射，則主要通過(guò)紅外波長(zhǎng)的電磁輻射傳熱。在真空環(huán)境下，例如太空，輻射是物體唯一的傳熱方式。

對(duì)于極端環(huán)境中的PCB，被動(dòng)冷卻的方式，如對(duì)流，是一種可取的解決方案。常規(guī)環(huán)境中的PCB可以連接到底盤(pán)上進(jìn)行散熱，或通過(guò)其它設(shè)備冷卻。在極端環(huán)境中運(yùn)行的PCB卻不是總能支持類似的散熱方案，所以我們可以將PCB設(shè)計(jì)為主動(dòng)散熱。

增加散熱的簡(jiǎn)單方法，是直接增加PCB的銅厚。更厚的銅，能更好地導(dǎo)熱。需要注意的是，確保PCB規(guī)格中的電氣間隙足以支持使用更厚的銅來(lái)散熱。

如果簡(jiǎn)單地增加銅厚不能滿足散熱，可以選擇在PCB中埋入銅塊。簡(jiǎn)而言之，就是在PCB中構(gòu)建一個(gè)簡(jiǎn)單的散熱器，位于零部件的正下方，與發(fā)熱元件直接接觸，某些情況下，甚至可以與元件進(jìn)行電氣連接。這種方式的優(yōu)點(diǎn)，是能夠更高效地進(jìn)行熱量傳導(dǎo)，但對(duì)PCB制造商來(lái)說(shuō)是種挑戰(zhàn)。每進(jìn)行一次埋銅處理，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)薄弱點(diǎn)，薄弱點(diǎn)過(guò)多會(huì)導(dǎo)致翹曲和意想不到的后果，請(qǐng)?jiān)O(shè)想一下，一個(gè)使用了大量埋銅技術(shù)的PCB處于極端的振動(dòng)或沖擊環(huán)境，會(huì)發(fā)生什么？

與其在設(shè)計(jì)PCB時(shí)過(guò)多地使用埋銅，不如考慮采用金屬芯板結(jié)構(gòu)。金屬芯板可以壓合到疊層中，來(lái)提供最佳散熱能力。在布局時(shí)，應(yīng)仔細(xì)考慮介質(zhì)厚度，我們建議在元件層和金屬芯板中間盡量使用薄的電介質(zhì)，這是因?yàn)檩^薄的介電材料的熱阻更小。這個(gè)建議與我之前提出的設(shè)計(jì)疊層以抵御沖擊和振動(dòng)情況的建議相悖了，但隨著PCB越來(lái)越復(fù)雜，我們必須考慮到其中的聯(lián)動(dòng)關(guān)系。

極端環(huán)境會(huì)帶來(lái)很多未知的挑戰(zhàn)，我們?yōu)榱藴p輕極端環(huán)境對(duì)PCB造成的影響，盡力去優(yōu)化其設(shè)計(jì)和制造流程，但也必須意識(shí)到，徹底全面規(guī)避掉所有風(fēng)險(xiǎn)是很困難的，只能盡量平衡各方，幫助制造更可靠耐用的PCB。

而關(guān)于如何最大程度減少風(fēng)險(xiǎn)，我能提供的最佳建議是在項(xiàng)目早期就尋求專業(yè)的PCB供應(yīng)商進(jìn)行技術(shù)合作。不同于客戶更了解產(chǎn)品，PCB供應(yīng)商更了解的是產(chǎn)品的PCB設(shè)計(jì)如何順利制造，了解PCB設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素和產(chǎn)線的制程能力，并且具有豐富的經(jīng)驗(yàn)，能夠以具有成本效益和最可持續(xù)的方式為您提供PCB相關(guān)服務(wù)。

如果您對(duì)上文中提到的埋銅PCB有興趣，我們?yōu)槟鷦?chuàng)建了一份常規(guī)的埋銅PCB設(shè)計(jì)指南，幫助您了解關(guān)于埋銅設(shè)計(jì)的更多信息.

審核編輯 黃宇