PCB ความหนาแน่นสูง

ความท้าทายหลักที่ PCB เผชิญสำหรับสภาพแวดล้อมที่รุนแรงสามารถสรุปได้ดังนี้:
ความชื้น ฝุ่น และสิ่งสกปรก:เพื่อรับมือกับปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมเหล่านี้ มักจำเป็นต้องบำบัด PCB ด้วยกระบวนการพิเศษที่เรียกว่าการเคลือบแบบ Conformal ด้วยเหตุนี้ PCB จะถูกปกคลุมหลังกระบวนการประกอบด้วยชั้นบางๆ ของวัสดุป้องกันที่ไม่นำไฟฟ้า เช่น ซิลิคอน อะคริลิค ยูรีเทน หรือ p-xylene การเคลือบช่วยยืดอายุการใช้งานของวงจรอิเล็กทรอนิกส์โดยการปกป้องจากสิ่งปนเปื้อนภายนอก

อุณหภูมิสูง:หาก PCB ต้องทำงานอย่างต่อเนื่องที่อุณหภูมิสูงกว่ามาตรฐาน ควรใช้ชั้นที่มีทองแดงหนากว่า (ทองแดงหนัก) โดยทั่วไปแล้วความหนาของทองแดงที่มากกว่า 3 ออนซ์ต่อตารางฟุตจะรวมกับการเคลือบตามมาตรฐานเพื่อให้บอร์ดได้รับการปกป้องในระดับสูงในกรณีที่ทำงานอย่างต่อเนื่องที่อุณหภูมิสูง การใช้ชั้นที่มีอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (Tg) สูงกว่า เช่น FR-4 TG140 หรือ TG170) ช่วยให้ PCB มีการป้องกันเพิ่มเติมจากอุณหภูมิ

รังสีไอออไนซ์:PCB สำหรับการใช้งานด้านการบินและอวกาศถูกถล่มด้วยอนุภาคหลายประเภท นอกเหนือจากรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่เกิดจากดวงอาทิตย์และวัตถุท้องฟ้าอื่นๆ การแผ่รังสีนี้สามารถทำให้เกิดการรบกวนชั่วคราว (เช่น การพลิกกลับของบิตหรือการลบหน่วยความจำ) หรือความเสียหายต่อชิ้นส่วนถาวร การกระแทกและการสั่นสะเทือน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานด้านยานยนต์และอวกาศ

การกัดกร่อน:นี่เป็นหนึ่งในข้อผิดพลาดหลักสำหรับชิ้นส่วนโลหะใดๆ การกัดกร่อนเกิดขึ้นเมื่อออกซิเจนและโลหะเกาะติดกันผ่านกระบวนการที่เรียกว่าออกซิเดชัน สิ่งนี้ทำให้เกิดสนิมและทำให้โลหะสูญเสียคุณสมบัติทางเคมีและสลายตัวไปตามกาลเวลา เนื่องจาก PCB มีโลหะในปริมาณสูง หากสัมผัสกับออกซิเจน สารเหล่านี้จึงอาจเกิดการกัดกร่อนได้

เพื่อป้องกันความเสียหายที่เกิดจากสารบรรยากาศ จึงมีการใช้สารเคลือบป้องกันไม่นำไฟฟ้าที่เรียกว่าสารเคลือบคอนฟอร์มอลกับ PCB หลังการประกอบ (รูปที่ 1) โดยทั่วไปจะใช้กับ PCB สำหรับอุปกรณ์ผู้บริโภค เครื่องใช้ไฟฟ้า และอุปกรณ์เคลื่อนที่ ซึ่งเป็นเรื่องปกติในการทำงานในที่ที่มีความชื้น ฝุ่น หรือปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมที่รุนแรงอื่นๆ ชั้นป้องกันที่นำไปใช้กับ PCB ช่วยให้ความชื้นที่อยู่ในชั้น PCB ไหลออกไปด้านนอก ในขณะเดียวกันก็ป้องกันไม่ให้สารภายนอกเข้าถึงบอร์ดและส่วนประกอบต่างๆ ซึ่งทำให้การทำงานของบอร์ดลดลง นอกจากจะเพิ่มความน่าเชื่อถือแล้ว การเคลือบผิวแบบ Conformal ยังช่วยยืดอายุของวงจรอีกด้วย

ประเภทการเคลือบคอนฟอร์มาลที่พบมากที่สุดคือซิลิโคน เรซินอะคริลิก โพลียูรีเทน และพีไซลีน ซึ่งแต่ละประเภทสามารถให้การป้องกันในระดับหนึ่งได้ ตัวอย่างเช่น ซิลิโคนสามารถครอบคลุมช่วงอุณหภูมิที่กว้างที่สุด และดังนั้นจึงเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดสำหรับการใช้งานที่มีอุณหภูมิสูงมาก ในทางกลับกัน ซิลิโคนมีแรงยึดเกาะต่ำบนพื้นผิวบางประเภทและมีความทนทานต่อสารเคมีต่ำกว่าเรซินอะคริลิก หลังเนื่องจากโครงสร้างที่แข็งแกร่งจึงไม่เหมาะอย่างยิ่งเมื่อมีแรงกระแทกและการสั่นสะเทือน โพลียูรีเทนมีความทนทานต่อความชื้น การเสียดสี และแรงสั่นสะเทือนสูง ทนต่ออุณหภูมิต่ำได้ดีแต่ไม่สูง ตามมาด้วยว่าส่วนใหญ่จะใช้ในการใช้งานที่มีอุณหภูมิตั้งแต่ -40 องศาถึง +120 องศา พี-ไซลีนเป็นวัสดุสม่ำเสมอที่ให้การปกป้องสูงแต่มีราคาแพงและไวต่อสารปนเปื้อนจะต้องนำไปใช้ในสุญญากาศ

สำหรับการใช้งานการเคลือบตามแบบ PCB สามารถใช้สี่เทคนิคได้: การจุ่ม การเคลือบแบบเลือกอัตโนมัติ การพ่นและการแปรง แต่ละทางเลือกเหล่านี้บรรลุเป้าหมายเดียวกัน: ครอบคลุม PCB ทั้งหมด รวมถึงขอบแหลมและขอบทั้งหมดของบอร์ด หลังจากการใช้งาน การเคลือบคอนฟอร์เมอร์จะถูกบ่มโดยการทำให้แห้งด้วยอากาศ การอบแห้งในเตาอบ หรือโดยแสงยูวี

ความหนาแน่นที่เพิ่มขึ้นของส่วนประกอบบน PCB ส่งผลให้อุณหภูมิในการทำงานเพิ่มขึ้นอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ซึ่งเป็นสภาวะที่ในระยะยาวอาจส่งผลต่อความสมบูรณ์ของรอยเชื่อมหรือของชั้นเอง เนื่องจากการขยายตัวและการหดตัวของวัสดุที่มีคุณสมบัติทางกายภาพที่แตกต่างกัน PCB ที่มีอุณหภูมิสูงจึงควรใช้อิเล็กทริกที่มีอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้ว (Tg) อย่างน้อย 170 องศา กฎที่ใช้โดยทั่วไปคืออนุญาตให้อุณหภูมิในการทำงานต่ำกว่าค่า Tg ของวัสดุที่ใช้ประมาณ 25 องศา นอกเหนือจากการเลือกใช้วัสดุแล้ว อุณหภูมิที่สูงของ PCB ยังสามารถจัดการได้โดยการนำความร้อนที่เกิดขึ้นออกและถ่ายโอนไปยังพื้นที่อื่นๆ ของ PCB หากติดตั้งส่วนประกอบที่ร้อนที่ด้านบนของ PCB และมีพื้นผิวขนาดใหญ่เพียงพอ จะสามารถติดตั้งแผงระบายความร้อนบนชิ้นส่วนนั้นได้ ซึ่งสามารถระบายความร้อนออกก่อนโดยการนำ (จากส่วนประกอบไปยังฮีทซิงค์) จากนั้นจึงโดยการพาความร้อน (จาก พื้นผิวของฮีทซิงค์ออกไปโดยรอบ อากาศเย็นกว่า)

หากติดตั้งส่วนประกอบที่ร้อนที่ด้านล่างของ PCB และไม่สามารถติดตั้งแผ่นระบายความร้อนได้ เทคนิคที่นักออกแบบมักใช้คือการแทรกเส้นทางระบายความร้อนจำนวนมากบน PCB เพื่อถ่ายเทความร้อนออกจากส่วนประกอบที่ร้อนไปยัง เลเยอร์ ทองแดงที่ด้านบนของ PCB จากจุดที่สามารถถ่ายโอนไปยังแผงระบายความร้อนที่เหมาะสมได้ โดยทั่วไป แผ่นระบายความร้อนที่ติดตั้งบน PCB จะมีขนาดใหญ่ โดยมีพื้นผิวแบบครีบหรือลูกฟูกเพื่อเพิ่มพื้นที่การกระจาย สามารถเพิ่มพัดลมเพื่อปรับปรุงการระบายความร้อนแบบบังคับพาความร้อน เมื่อเปรียบเทียบกับการระบายความร้อนแบบพาความร้อนตามธรรมชาติ

สำหรับภารกิจอวกาศระยะยาว ทางเลือกเดียวที่มีคือการใช้ส่วนประกอบ "ราดฮาร์ด" ส่วนประกอบเหล่านี้หายากกว่ามากและส่งผลให้มีราคาแพงกว่าส่วนประกอบมาตรฐาน สำหรับภารกิจอวกาศระยะสั้น (สูงสุดหนึ่งปี) อาจอนุญาตให้ใช้ส่วนประกอบเชิงพาณิชย์มาตรฐานได้ โดยขึ้นอยู่กับการวิเคราะห์และการตรวจสอบความสามารถในการทนต่อรังสี สิ่งนี้ช่วยให้คุณลดต้นทุนการออกแบบอุปกรณ์อวกาศและขยายการเลือกส่วนประกอบสำหรับการออกแบบ ด้วยการใช้เทคนิคการออกแบบฮาร์ดแวร์ที่แตกต่างกัน ผลกระทบที่เกิดจากรังสีจึงสามารถตอบโต้ได้ ตัวอย่างเช่น ในระดับการออกแบบ PCB สิ่งสำคัญคือต้องแน่ใจว่าชิ้นส่วนโลหะทั้งหมดมีการต่อสายดินอย่างเพียงพอ

เพื่อป้องกันการกระแทกและการสั่นสะเทือน สามารถติดตั้ง PCB ในภาชนะที่มีการเทเรซินเพื่อห่อหุ้มให้สมบูรณ์ ยิ่งชั้นเรซินสูง ระดับการป้องกันก็จะดียิ่งขึ้น ความหนาของชั้นเรซินจะแตกต่างกันไปทั่วทั้งบอร์ด ยกเว้นว่าส่วนประกอบทั้งหมดบน PCB มีความสูงเท่ากัน ทำให้มีระดับการป้องกันที่แตกต่างกันเล็กน้อยสำหรับส่วนประกอบแต่ละชิ้น ชั้นเรซินที่บางที่สุดจึงสอดคล้องกับระดับการป้องกันที่มีให้ทั่วทั้งกระดาน ในกรณีที่เลวร้ายที่สุด ก่อนที่จะพิจารณาการห่อหุ้มด้วยเรซิน จะต้องทำความสะอาด PCB อย่างทั่วถึง การปนเปื้อนบนพื้นผิวอาจส่งผลเสียต่อระดับการป้องกันที่นำเสนอโดยการห่อหุ้ม โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีของการทนต่อสารเคมี (เนื่องจากจะทำให้สารเคมีเข้าสู่เส้นทางได้ง่ายขึ้น)