Projetando eletrônicos que podem lidar com a pressão

Suresh Patel | 22 de fevereiro de 2023

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

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 do PCB e danificar todo o dispositivo eletrônico. A fadiga por vibração em aplicações automotivas é uma preocupação séria para os fabricantes de PCB.

Para eletrônicos tolerantes à pressão, o invólucro deve ser projetado para suportar temperaturas muito altas ou frias, movimento contínuo, vibração e pressão. O projeto do 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. A construção de componentes eletrônicos para suportar ambientes hostis exige uma convergência ideal dos processos de projeto, montagem e teste de PCB.

Uma compreensão detalhada do ambiente operacional do produto é o primeiro passo na construção de eletrônicos robustos. Os PCBs podem ser 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 de dispositivos eletrônicos. A menos que o produto seja projetado para condições adversas, a temperatura extrema pode expandir aleatoriamente as camadas de PCB junto com os traços de cobre. A variação de temperatura também afeta as juntas de solda e, portanto, a conectividade do sinal. Componentes de montagem de PCB como transistores, ICs e partes discretas (resistores, capacitores, indutores, etc.) têm parâmetros dependentes da temperatura operacional, o que pode afetar a funcionalidade do circuito. Altas temperaturas podem expelir o material da PCB para dentro do gabinete, causando corrosão.

Pressão e vibração podem fazer com que o gabinete externo exploda, expondo os circuitos eletrônicos ao ambiente externo. Qualquer diferença de pressão pode afetar o PCB e seus componentes. Ele pode difundir rapidamente o material PCB no ambiente. Durante o processo de fabricação do chip, espaços vazios podem ser criados dentro dos componentes e preenchidos com ar. Tais componentes montados em PCBs podem se romper com qualquer diferença de pressão, provocando falha de componentes e produtos.

Umidade ou poeira no PCB podem causar mau funcionamento elétrico, como atenuações de sinal. O excesso de umidade pode corroer o PCB. Pode causar curtos-circuitos levando a riscos de incêndio em casos extremos. Picos de energia devido a tempestades ou descargas eletrostáticas (ESD) podem danificar completamente o produto eletrônico. Interferência eletromagnética excessiva de equipamentos ao redor ou 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.

Materiais de poliimida e Rogers (laminados cerâmicos de hidrocarbonetos) são adequados para temperaturas extremamente altas. Alumínio para temperatura criogênica e FR4 (material PCB retardador de chama) para aplicações de baixa temperatura são recomendados. Em um ambiente de alta umidade, os materiais FR4 ou cerâmica cofired de baixa temperatura (LTCC) são melhores escolhas. A poliimida e o politetrafluoretileno (PTFE) são exemplos de materiais 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.