Разработчики не могут точно знать, что проектируемое ими устройство будет использоваться в контролируемых условиях — напротив, они должны учитывать наихудший сценарий, при котором факторы окружающей среды будут крайне суровые, и должны защитить его от это. Защита печатных плат особенно важна. Для этого используются специальные решения, примеры которых представлены в статье далее.

Электронные устройства различаются по надежности и сроку службы в зависимости от того, как и где они используются. Например, для критически важного оборудования, такого как космические аппараты, самолеты и военная техника, требуется 100% устойчивость. В случае устройств бытовой электроники также ожидается максимально длительный срок службы, но условия эксплуатации менее обременительны. Одноразовые и дешевые копеечные китайские устройства обычно ненадежны, что, впрочем, неудивительно.

Обзор дефектов печатных плат

Задача конструктора состоит в том, чтобы сначала оценить требования в нужной области, затем он должен проанализировать ожидаемые мешающие факторы и возможные дефекты печатных плат и их компонентов. По характеру причин последние делятся на: механические, термические, экологические, электрические, а также жилищные проблемы и возрастные изменения. К первым относятся, в том числе: упругие и пластические деформации, трещины, коробление.

Упругие и пластические деформации вызывают изменение формы и размеров. Первые носят временный характер и исчезают после устранения вызывающих их внешних сил. Трещины, с другой стороны, представляют собой быстрые отказы без предшествующих признаков деградации. В печатных платах этот тип дефектов возникает, в частности, в паяных соединениях в результате растягивающих напряжений в электронных компонентах и изгибах печатных плат во время сборки, испытаний и транспортировки. Кроме того, трещины возникают в результате воздействия ударов и перепадов температур, формирующих резкое сжатие или расширение материала в процессе эксплуатации. Трещины могут также развиваться постепенно, в результате усталости материала при его циклических нагрузках.

Термические и электрические причины

Недостаточная чистота поверхности печатной платы способствует развитию ползучей коррозии, что в конечном итоге также приводит к трещинам в ее структуре. Коробление происходит в основном под воздействием тепла и влаги. К его причинам относятся: выявленные при пайке различия в коэффициентах теплового расширения материалов и слишком тяжелые по отношению к прочности конструкции печатной платы компоненты, такие как радиаторы.

Термические дефекты возникают при превышении критических температур, таких как максимальная рабочая температура электронных компонентов, температура стеклования, температура плавления или температура искры, а экологические дефекты возникают в результате контакта с инородными телами и веществами. Электрические причины также могут привести к повреждению: протекание тока высокой плотности, градиенты электрического поля и локальное повышение температуры.

Факторы угрозы работы схем

Опасными для непрерывности и исправной работы, а также срока службы электроники являются: аномальные и экстремальные температуры, низкие и высокие и их колебания, вибрации и удары, высокое и низкое давление, высокая влажность воздуха, прямой контакт с водой, химическими веществами, грязью и пыль, ионизирующее излучение, электромагнитные помехи, электростатические разряды. Например, вибрации и удары составляют около 20% причин всех проблем с печатными платами. Поэтому нельзя недооценивать их влияние, особенно в случае электроники на оборудовании транспортных средств, сельскохозяйственных машин, промышленных, бытовой и военной техники.

Моделирование и симуляция

Анализ воздействия вибраций и ударов облегчается программами моделирования, основанными на методе конечных элементов. Инструменты этого типа позволяют определить собственную частоту платы. Чем больше разница между ожидаемой частотой вибрации и этим параметром печатной платы, тем меньше будет ее усталость от вибрации. Чтобы максимально увеличить этот зазор, в этом типе программного обеспечения можно вносить изменения в конструкцию платы до тех пор, пока вибрационные нагрузки не станут минимальными.

Как правило, результаты анализа вибрации отображаются на виде платы, где выделены области и компоненты повышенного риска. Чаще всего высокие напряжения возникают вблизи точек крепления печатных плат и более крупных электронных компонентов. Решение состоит в том, чтобы удалить или переместить или добавить дополнительные точки крепления. Также можно рассмотреть возможность перемещения более крупных компонентов и тех, которые не устойчивы к нагрузкам (например, в корпусах BGA, QFN), подальше от точек крепления и разрыва. Для гашения вибраций компоненты, выделенные как особо подверженные им, могут быть дополнительно проклеены.

Стоит помнить, что оптимизировать конструкцию печатной платы всегда дешевле, чем потом менять ее по результатам испытаний на вибростойкость, проведенных для прототипов устройств. Моделирование и симуляция также являются более быстрым решением, чем реальные испытания. Поэтому наиболее эффективно выполнять последнее только для проверки применяемых конструктивных решений.

Защита от вибраций и ударов

Решения, устойчивые к вибрациям и ударам, можно разделить на группы на уровнях: платы, компонентов и устройства. Примером устройств выступают электронные компоненты, рассчитанные на виброустойчивость. В этой версии конденсаторы доступны в корпусе для поверхностного монтажа, который отличается добавлением проводящей эпоксидной смолы между металлическим покрытием и корпусом. Такая конструкция обеспечивает хорошую паяемость, электрические параметры, прочность соединения и гибкость. Это направляет напряжение изгиба печатной платы от корпуса корпуса к покрытию, предотвращая повреждение компонентов при изгибе платы.

К этой же группе относится технология нанесения на плату с припаянными компонентами жидкого полимера, заполняющего пространство между платой и выводами. После ее затвердевания они прочно механически связаны с платой, поглощающей напряжения. С другой стороны, на уровне печатной платы, согласно надлежащей практике, резонансная частота печатной платы должна быть как минимум в три раза выше частоты ударного импульса.

Печатная плата для высоких температур

Печатные платы с высокими рабочими температурами, обусловленными спецификой установленных в них компонентов (рассеиваемая в них мощность, плотность), и работающие в условиях повышенной температуры окружающей среды, также требуют особого подхода в выборе материалов. Это в первую очередь специальные паяльные пасты, не плавящиеся при более высоких температурах, и специальные материалы, из которых изготавливаются печатные платы.

Их пригодность для таких применений определяется температурой стеклования. Для наиболее распространенного текстолита FR-4 она обычно составляет от +130°C до +140°C. Если ожидается более высокая рабочая температура печатной платы, следует рассмотреть возможность ее замены другим материалом. Наиболее популярными высокотемпературными являются: ISOLA IS410 с температурой стеклования +180°C, оптимизированная для сверления отверстий с большим удлинением, ISOLA IS420 с температурой стеклования +170°C, дополнительно армированные стеклотканью, ISOLA G200 с температурой стеклования +180°С, Shengyi S1000-2 (+170°С), ITEQ IT-180A (+175°С), ARLON 85N (+250°С).

Помимо выбора материалов, разработка печатной платы также требует специальных решений. Первый вопрос, который должен учитывать конструктор, — это максимальная рабочая температура электронных компонентов — выбирайте те, которые адаптированы для работы в предполагаемом диапазоне температур для данной платы. Кроме того, их расположение, а также исполнение других элементов печатной платы (дорожек, переходных отверстий) необходимо оптимизировать с точки зрения снижения тепловыделения, равномерное распределение и облегчение его отдачи в окружающую среду.

Расположение дорожек и узлов

Ключевым шагом в разработке термостойкой печатной платы является выявление горячих точек. Для этого используется программное обеспечение для моделирования и симуляции распределения температуры на плате. По результатам такого анализа, например, можно изменить распределение сильноточных путей таким образом, чтобы они не проходили вблизи термочувствительных компонентов, таких как полупроводниковые элементы. Кроме того, компоненты высокой мощности (процессоры и микроконтроллеры), лучше размещать в центре платы. Потому что если их монтировать вплотную к краю печатной платы, то выделяемое ими тепло будет там аккумулироваться. Лучшим решением будет размещение сильно нагревающегося компонента в центре печатной платы, благодаря чему тепло будет распространяться равномерно во всех направлениях. Благодаря этому результирующая температура платы станет ниже, а тепло будет более эффективно отводиться в окружающую среду. Ещё нужно следить за тем, чтобы высокомощные компоненты располагались достаточно далеко от компонентов, чувствительных к повышенным температурам, а также чтобы между ними выдерживалось соответствующее расстояние — сильно нагревающиеся компоненты должны быть равномерно распределены по всей печатной плате.

Разработчики печатных плат, где температура является критическим фактором, должны учитывать тепловые отверстия. Это втулки, которые используются только для отвода тепла от компонентов, которым это необходимо — обычно они предназначены для отвода тепла от деталей для поверхностного монтажа. Тепловые переходы располагаются непосредственно под компонентами, которые через них будут охлаждаться. Их количество и расположение влияют на термическое сопротивление — за счет размещения их как можно ближе к источнику тепла снижается термическое сопротивление конструкции печатной платы, благодаря чему избыточное тепло быстрее и эффективнее отводится в окружающую среду. Тепловые переходы могут быть выполнены как в двусторонних, так и в многослойных печатных платах толщиной не менее 0,7 мм.

Практика применяется к конструкции этого типа люверсов. В целом для повышения эффективности отвода тепла рекомендуется покрывать их изнутри слоем меди толщиной не менее 25 мкм. Кроме того, предполагается, что оптимальный диаметр тепловых отверстий составляет 0,3 мм, а рекомендуемое расстояние между ними — 0,8 мм. Переходные отверстия эти залиты эпоксидной смолой и закрыты медным покрытием. Это предотвращает неконтролируемое вытекание припоя и облегчает пайку.

Для защиты печатной платы и установленных в ней электронных компонентов от вредных факторов внешней среды применяют следующие методы: заливка и нанесение покрытий (конформные покрытия). Какое из этих решений более подходящее, зависит от специфики защищаемого устройства, поскольку в обоих случаях в качестве защиты печатных плат используются органические полимеры, но в разных количествах и по-разному. Это влияет на уровень защиты, обеспечиваемый заливкой и покрытием.

В первом случае корпус устройства заливают жидким, а затем затвердевшим материалом. Он заполняет его и обычно покрывает всю печатную плату и ее компоненты, хотя его также можно использовать для покрытия отдельных компонентов печатной платы. Наиболее распространенные заливочные материалы: эпоксидная смола, полиуретан и силикон. Первые отличаются химической стойкостью и адгезией, а главный недостаток – длительное время отверждения. Последние более мягкие и податливые, что делает их подходящими для защиты электронных компонентов, которые слишком деликатны для заливки жесткими материалами, но они менее устойчивы к влаге и теплу.

Герметизация печатных плат обеспечивает эффективную защиту от вибрации, ударов, истирания, температуры и химических веществ. Это рекомендуемый подход, когда ожидается воздействие высоких стрессовых факторов. Кроме того, он обеспечивает хорошую защиту от электрической дуги, поэтому часто используется в высоковольтном электрооборудовании. А ещё это относительно быстрый процесс, который легко автоматизировать. С другой стороны, ремонт залитой печатной платы затруднителен и может привести к ее повреждению. Затвердевшая масса утяжеляет землю. Кроме того увеличивается вес устройства.

Обзор материалов конформного покрытия

Защитные слои обычно имеют толщину от нескольких десятков до нескольких сотен микрометров, что делает их легкими и компактными. Их применение простое, как и их удаление и ремонт. Они обеспечивают защиту от коррозии, пыли и влаги. Если они не являются водонепроницаемыми и ожидается затопление, они должны обеспечивать только дополнительную защиту в дополнение к водонепроницаемому корпусу.

Доступно множество различных материалов конформного покрытия, в том числе из тех же групп, что и для герметизации печатных плат. Выбор конкретного зависит от требуемой степени защиты. Способ применения и легкость коррекции также являются важными факторами.

Материалы на основе смол образуют полупроницаемые покрытия и поэтому не являются полностью водонепроницаемыми, хотя в остальном обеспечивают хорошую защиту от окружающей среды.

• Акриловая смола относится к этой категории. Она характеризуется высокой диэлектрической прочностью и хорошей стойкостью к влаге и истиранию. Также отличается легкостью удаления растворителем.
• Силиконовая смола защищает в широком диапазоне температур от химических веществ, влаги, соляного тумана. Она гибкая, что защищает от напряжения из-за вибрации, но не устойчива к истиранию. Кроме того, удаление этого типа покрытия может быть затруднено.
• Уретановая смола обеспечивает устойчивость к влаге, химическим веществам и истиранию. Однако удалить её сложно. С другой стороны, конформные эпоксидные покрытия непроницаемы, более твердые и менее гибкие. Они также характеризуются высокой устойчивостью к истиранию и химическим веществам. Их очень трудно удалить.
• Париленовые покрытия характеризуются высокой диэлектрической прочностью, стойкостью к влаге, растворителям и экстремальным температурам. Благодаря тому что они наносятся методом напыления, их можно делать очень тонкими, без ущерба для степени гарантированной защиты. Правда их трудно удалить.

Мы не делаем никому рекламы, поэтому не указываем конкретного производителя, а лишь информируем об имеющихся на рынке материалах и их характеристиках.