Projetando eletrônicos que possam lidar com pressão

Jun 09, 2023

Suresh Patel | 22 de fevereiro de 2023

Os produtos eletrônicos devem ser confiáveis ​​e duráveis, especialmente quando são projetados para operar em ambientes agressivos. Construir placas de circuito impresso (PCBs) para funcionar com eficiência em condições ambientais extremas, como temperatura, umidade, vibração e pressão extensas, é bastante desafiador. Existem vários padrões da indústria estabelecidos para validar o projeto e implantação de PCB para aplicações críticas, como automóveis, militares, aeroespaciais e eletrônicos submarinos.

As temperaturas extremas afetam não apenas os materiais da PCB, mas também a geometria da montagem da PCB. Uma diferença de pressão pode induzir estresse físico em produtos eletrônicos. A umidade na atmosfera de trabalho pode corroer o conjunto da PCB e danificar todo o dispositivo eletrônico. A fadiga por vibração em aplicações automotivas é uma séria preocupação para os fabricantes de PCB.

Para componentes eletrônicos tolerantes à pressão, o gabinete deve ser projetado para suportar temperaturas muito altas ou frias, movimento contínuo, vibração e pressão. O projeto da PCB deve usar componentes e materiais classificados para operar em condições extremas. Atender aos requisitos e padrões de aceitabilidade de eletrônicos robustos garantirá consistência no desempenho do produto. Construir eletrônicos para sustentar ambientes agressivos exige uma convergência ideal de processos de projeto, montagem e teste de PCB.

Uma compreensão detalhada do ambiente operacional do produto é o primeiro passo na construção de componentes eletrônicos robustos. Os PCBs podem estar expostos a vários tipos de circunstâncias:

Com base no ambiente de trabalho específico, os projetistas de PCB precisam capturar as informações necessárias, como local de implantação do produto e parâmetros ambientais associados, como:

Ambientes extremos podem reduzir significativamente o desempenho e a vida útil dos dispositivos eletrônicos. A menos que o produto seja projetado para condições adversas, a temperatura extrema pode expandir aleatoriamente as camadas do PCB junto com os vestígios de cobre. As temperaturas variáveis ​​também afetam as juntas de solda e, portanto, a conectividade do sinal. Componentes de montagem de PCB como transistores, CIs e peças discretas (resistores, capacitores, indutores, etc.) têm parâmetros dependentes da temperatura operacional, o que pode afetar a funcionalidade do circuito. Altas temperaturas podem liberar gás do material da PCB para dentro do gabinete, causando corrosão.

A pressão e a vibração podem causar a explosão do gabinete externo, expondo o circuito eletrônico ao ambiente externo. Qualquer diferença de pressão pode impactar a PCB e seus componentes. Ele pode difundir rapidamente o material PCB no meio ambiente. Durante o processo de fabricação do chip, vazios podem ser criados dentro dos componentes e preenchidos com ar. Esses componentes montados em PCBs podem ser rompidos com qualquer diferença de pressão, provocando falha do componente e do produto.

Umidade ou poeira na PCB podem causar mau funcionamento elétrico, como atenuações de sinal. O excesso de umidade pode corroer o PCB. Pode causar curto-circuitos levando a risco de incêndio em casos extremos. Picos de energia devido a trovoadas ou descargas eletrostáticas (ESD) podem danificar completamente o produto eletrônico. A interferência eletromagnética excessiva do equipamento próximo ou da configuração de trabalho pode impedir o desempenho da placa.

O material do substrato e a folha de cobre devem ser escolhidos de acordo com o ambiente de trabalho do produto eletrônico.

Os materiais de poliimida e Rogers (laminados cerâmicos de hidrocarbonetos) são adequados para temperaturas extremamente altas. Recomenda-se alumínio para temperatura criogênica e FR4 (material PCB retardador de chama) para aplicações de baixa temperatura. Em um ambiente de alta umidade, os materiais FR4 ou cerâmica co-queimada de baixa temperatura (LTCC) são melhores escolhas. Poliimida e politetrafluoretileno (PTFE) são exemplos de materiais de PCB resistentes à corrosão e são adequados para ambientes úmidos.

É necessário combinar a constante dielétrica (DK) de diferentes substratos e núcleos no empilhamento de PCB. Além disso, o coeficiente de expansão térmica (CTE) de substratos adjacentes deve corresponder à expansão ou contração uniforme das camadas de PCB em condições adversas.