Progettare dispositivi elettronici in grado di gestire la pressione

Suresh Patel | 22 febbraio 2023

I prodotti elettronici devono essere affidabili e durevoli, soprattutto quando sono progettati per funzionare in ambienti difficili. Costruire schede a circuiti stampati (PCB) per funzionare in modo efficiente in condizioni ambientali estreme come temperature elevate, umidità, vibrazioni e pressione è piuttosto impegnativo. Esistono numerosi standard di settore stabiliti per convalidare la progettazione e l'implementazione di PCB per applicazioni critiche come automobili, militari, aerospaziali ed elettronica sottomarina.

Le temperature estreme influiscono non solo sui materiali del PCB ma anche sulla geometria dell'assemblaggio del PCB. Una differenza di pressione può indurre uno stress fisico sui prodotti elettronici. L'umidità nell'atmosfera di lavoro può corrodere il gruppo PCB e danneggiare l'intero dispositivo elettronico. La fatica dovuta alle vibrazioni nelle applicazioni automobilistiche è una seria preoccupazione per i produttori di PCB.

Per i componenti elettronici resistenti alla pressione, la custodia deve essere progettata per resistere a temperature molto elevate o fredde, movimento continuo, vibrazioni e pressione. La progettazione del PCB dovrebbe utilizzare componenti e materiali progettati per funzionare in condizioni estreme. Il rispetto dei requisiti e degli standard di accettabilità dell'elettronica robusta garantirà la coerenza delle prestazioni del prodotto. Costruire componenti elettronici per sostenere ambienti difficili richiede una convergenza ottimale dei processi di progettazione, assemblaggio e test dei PCB.

Una comprensione dettagliata dell'ambiente operativo del prodotto è il primo passo nella costruzione di componenti elettronici robusti. I PCB possono essere esposti a vari tipi di circostanze:

In base al particolare ambiente di lavoro, i progettisti di PCB devono acquisire le informazioni necessarie come il luogo di distribuzione del prodotto e i parametri ambientali associati come:

Gli ambienti estremi possono ridurre significativamente le prestazioni e la durata dei dispositivi elettronici. A meno che il prodotto non sia progettato per condizioni difficili, la temperatura estrema può espandere in modo casuale gli strati del PCB insieme alle tracce di rame. Le temperature variabili influiscono anche sui giunti di saldatura e quindi sulla connettività del segnale. I componenti dell'assemblaggio PCB come transistor, circuiti integrati e parti discrete (resistori, condensatori, induttori, ecc.) hanno parametri che dipendono dalla temperatura operativa, che possono influire sulla funzionalità del circuito. Le alte temperature possono rilasciare gas dal materiale PCB all'interno dell'involucro, causando corrosione.

La pressione e le vibrazioni possono causare l'esplosione dell'involucro esterno, esponendo i circuiti elettronici all'ambiente esterno. Qualsiasi differenza di pressione può avere un impatto sul PCB e sui suoi componenti. Può diffondere rapidamente il materiale PCB nell'ambiente. Durante il processo di produzione dei chip, all'interno dei componenti possono formarsi dei vuoti che si riempiono d'aria. Tali componenti montati su PCB possono rompersi con qualsiasi differenza di pressione, provocando il guasto dei componenti e del prodotto.

L'umidità o la polvere sul PCB possono causare malfunzionamenti elettrici come attenuazioni del segnale. L'umidità eccessiva può corrodere il PCB. Può causare cortocircuiti che in casi estremi possono provocare rischi di incendio. Le sovratensioni dovute a temporali o scariche elettrostatiche (ESD) possono danneggiare completamente il prodotto elettronico. Un'eccessiva interferenza elettromagnetica proveniente dalle apparecchiature circostanti o dalla configurazione di lavoro può ostacolare le prestazioni della scheda.

Il materiale del substrato e il foglio di rame devono essere scelti in base all'ambiente di lavoro del prodotto elettronico.

I materiali Polyimide e Rogers (laminati ceramici di idrocarburi) sono adatti a temperature estremamente elevate. Si consiglia l'alluminio per temperature criogeniche e l'FR4 (materiale PCB ritardante di fiamma) per applicazioni a bassa temperatura. In un ambiente ad alta umidità, i materiali FR4 o ceramica co-cotta a bassa temperatura (LTCC) sono scelte migliori. La poliimmide e il politetrafluoretilene (PTFE) sono esempi di materiali PCB resistenti alla corrosione e sono adatti per ambienti umidi.

È necessario far corrispondere la costante dielettrica (DK) di diversi substrati e nuclei nello stack-up del PCB. Inoltre, il coefficiente di espansione termica (CTE) dei substrati adiacenti dovrebbe corrispondere per un'espansione o contrazione uniforme degli strati PCB in condizioni difficili.