Díl první: Na co si dát pozor při výrobě PCB do extrémního prostředí?

Na co si dát pozor při výrobě PCB do extrémního prostředí? Vlhkost, pára, prach? Žádný problém! I s těmito prostředími se dokáže výroba plošných desek vyrovnat.

Všechna moderní elektronická zařízení potřebují ke svému provozu desky plošných spojů.  U desky plošných spojů DPS platí, že obvod je vytištěn na nevodivém materiálu.

Obecně jsou desky vyrobeny z vodotěsných materiálů ze skleněných vláken, které odolávají vysokým teplotám a poskytují izolaci mezi měděnými vrstvami, a také minimalizují rušení a podporují dobrou integritu signálu. Díky těmto vlastnostem je sklolaminát dokonalým materiálem pro univerzální desky plošných spojů. A proto jsou široce používány ve většině výrobků spotřební elektroniky.

Sklolaminátové desky však mají svá omezení. Aby byly desky plně funkční i v extrémních podmínkách, je nutné zvážit několik dalších faktorů. Tedy na co si dát pozor při výrobě PCB do extrémního prostředí?

Co si představit pod extrémními podmínkami?

Nemusí se nutně jednat o vesmírné prostředí, i v našim podmínkách je mnoho prostředí, která lze považovat za extrémní v souvislosti s provozem elektrického zařízení.

• Prostředí s extrémními teploty, horkými i studenými
• Místa, kde dochází  ke kolísání teploty nebo vlhkosti
• Celkově dešťové/vlhké prostředí
• Průmyslová prašná prostředí,  kde je prach nebo jiné nečistoty.
• Přepětí, buď přírodní (tj. blesk) nebo způsobené člověkem
• Místa, kde dochází k elektrostatickému nebo elektromagnetickému rušení

Návrh PCB do extrémního prostředí vyžaduje speciální dovednosti a znalosti, aby výsledný produkt vydržel v extrémních podmínkách co nejdéle.

Podívejme se na výzvy, na co si dát pozor při výrobě PCB do extrémního prostředí.

Teplota ovlivňuje PCB do extrémního prostředí

Každé elektronické zařízení při fungování vytváří určité množství tepla. U standardních obvodů nestačí množství tepla k poškození celého okruhu desky. V extrémním prostředí s vysokou teplotou, by už byla ale daná deska problémová, proto velký ohled na tepelné odvádění při výrobě PCB do extrémního prostředí.

Způsob, jak odvádět teplo z okruhu desky, je přidání měděné povrchové vrstvy v nevodivé části obvodu. Například sklolaminátový materiál FR-4 není vynikajícím vodičem tepla, a nalití mědi  na místa mimo okruh napomáhá obvodu se ochladit.

Ale pozor, tato technika funguje jen do určité míry. Pokud je produkované teplo příliš velké, u PCB do extrémního prostředí využíváme plátovaní kovem. Jedná se o upravu desky, které mají jako základní pláty elektricky izolovaného hliníkového plechu. Hliník absorbuje teplo mnohem rychleji než materiál FR-4, chrání komponenty desek plošných spojů před přehřátím a prodlužuje jejich životnost. Hliníkové desky plošných spojů se obecně používají při výrobě třeba LED svítidel, hlavně u plochého panelového osvětlení.

A pokud nepostačí ani integrace hliníkových plátů, přichází na řadu keramická deska plošných spojů. Základem keramické desky plošných spojů jsou extrémně tepelně vodivé prvky a sloučeniny, jako je oxid hlinitý, nitrid hliníku a oxid berylnatý (které jsou často potaženy zlatem). Tento povlak pomůže rychleji odvádět teplo z horkých oblastí a rozptýlit ho po celém povrchu desky a do okolí.

Keramika nabízí významnou výhodu oproti tradičním materiálům, jako je FR-4 a deskám plošných spojů plátovaných kovem, pokud jde o odvod tepla.

• Průchod tepla deskou je výrazně efektivnější, protože komponenty jsou přímo na deskách bez izolační vrstvy.
• Keramika má velmi nízký koeficient tepelné roztažnosti (CTE), což umožňuje další možnosti kompatibility pro návrh desek plošných spojů.

Všeobecně platí, že není nutné řešit výrobu desek plošných spojů v případě, jestliže jsou využívány sice v teplotně extrémních prostředí, ale s umístěním externích chladících prostředků. A to samé pak platí pro osazení. Pro PCB do extrémního prostředí je to ale jiné.

Vlhkost a prach

Pokud bude deska plošných spojů venku nebo vystavena přírodnímu prostředí, bude muset být chráněna před vlivy počasí, včetně vody, nečistot a prachu. Bez řádného povrchového ošetření dojde k poškození obvodu nebo zařízení. Aby se tomu zabránilo, je nutné PCB do extrémního prostředí opatřit povrchovým lakem, aby obvody zůstaly suché a bezprašné.

Základní typy laků, z nichž každý má své výhody a nevýhody pro PCB do extrémního prostředí

• Akrylová pryskyřice
• Uretany
• Epoxidová pryskyřice
• Silikonová pryskyřice
• Parylen

Akrylové pryskyřice: Jsou oblíbené pro jednoduchou technologii nanášení, minimální tepelné účinky při schnutí a lehce upravitelnou viskozitu. Navíc se po odpaření rozpouštědla dále již nesmršťují a kryjí stejný povrch jako po nanesení. Pokud je třeba opravit pájený spoj nebo vyměnit součástku, je možné je po vytvrzení snadno odstranit ředidly. To je bohužel zapříčiněno nízkou chemickou odolností povlaku.

A také u tohoto typu laku platí, jakou formou dochází k vytvrzení, pokud zvýšenou teplotou, pak je nutno brát v potaz, že  akrylové povlaky vykazují nízkou teplotu skelného přechodu Tg. Při jejím překročení může nastat roztažení povlaku. Pokud se naopak využije k vytvrzení UV záření, může nastat nedokonalé vytvrzení v zastíněných oblastech.  Při tomto zpracování se objevuje štiplavý zápach s vedlejším účinkem podráždění pokožky.

Uretany: Povlaky jsou vytvrditelné za využití tepla do tří hodin, ale mají kratší životnost. U vytvrzení odpařením rozpouštědel je třeba se vyvarovat zvýšené vlhkosti, která negativně ovlivní rychlost procesu a žádané vlastnosti. Po vytvrzení jsou schopny nejlépe udržet dielektrické vlastnosti při stresu vlivem prostředí.

Epoxidy: Snesou vyšší hodnotou teploty skelného přechodu. Dále poskytují dobrou odolnost proti mechanickému poškození. Jsou odolné proti vlhkosti a chemickým vlivům prostředí, což značí, že jsou téměř chemicky neodstranitelné pro případné opravy.

Silikony: Silikonové povlaky nalézají využití v aplikacích, kde elektronické sestavy musí vydržet extrémní teploty a je potřebná vysoká dielektrická pevnost. Silikonových pryskyřice jsou pružné, odolné proti vlhkosti a UV záření ze slunce. Nejvíce jsou využívané v automobilovém průmyslu. Jejich nevýhodou je zkrácený čas manipulace před vytvrzením a proti mechanickému namáhání formou abraze.

Parylen: Nejlépe vede proti chemickým vlivům prostředí a vlhkosti. Vyznačuje se výbornými dielektrickými vlastnostmi, mechanickou odolností a nízkým koeficientem teplotní roztažnosti. Nevýhodou Parylenu je nutnost vakuově maskovat nelakované oblasti, dále jsou technologicky náročnější opravy a také nižší odolnost vůči UV záření.

Lak je volen na základě aplikace a funkčních požadavků v rámci aplikace. Některé součástky na desce plošných spojů nemohou být ochranným lakem pokryté. Je to např. kontaktní systém, trimry a podobné součástky. Tyto součástky je třeba před nanášením laku zakrýt, nebo natřít snímatelným lakem tak, aby se na nich nevytvářela ochrana.

Vysoce výkonné PCB do extrémního prostředí

Obvody desek plošných spojů jsou vyrobeny z tenkých měděných stop. Tyto měděné stopy jsou dimenzovány pro aplikace s nízkým výkonem, protože proud protékající vodivým materiálem je přímo úměrný šířce a tloušťce plochy průřezu této stopy. U univerzálních desek plošných spojů je tloušťka vrstvy 1oz =35 mikrometrů. Pokud tedy potřebujeme vyšší proudové zatížení, můžeme zvětšit šířku stopy nebo vytvořit stopu vícevrstvou, abychom zvětšili plochu průřezu tak, aby mohla přenášet více proudu.

Dalšími výzvami, kterými je nutné se zabývat jsou rušení v podobě elektrostatických výbojů nebo elektromagnetických vln. Těm se ale budeme věnovat zvlášť v příštím díle. Navrhování PCB do extrémního prostředí, které vydrží všechna drsná prostředí, není vůbec přímočarý úkol a stojí před mnoha omezeními.