PCB de alta densidade

Os principais desafios enfrentados pelos PCBs em ambientes agressivos podem ser resumidos da seguinte forma:
Umidade, poeira e sujeira:Para neutralizar esses fatores ambientais, muitas vezes é necessário tratar o PCB com um processo especial conhecido como revestimento isolante. Com ele, a PCB é coberta após o processo de montagem com uma fina camada de material protetor não condutor como silício, acrílico, uretano ou p-xileno. O revestimento permite prolongar a vida útil do circuito eletrônico, protegendo-o de contaminantes externos.

Altas temperaturas:Se a PCB tiver que operar continuamente em temperaturas acima do padrão, é melhor usar camadas com cobre mais espesso (cobre pesado). Espessuras de cobre superiores a 3 onças por pé quadrado são normalmente combinadas com a aplicação do revestimento compatível para fornecer à placa um alto nível de proteção no caso de operação ininterrupta em altas temperaturas. O uso de camadas com temperatura de transição vítrea (Tg) mais alta, como FR-4 TG140 ou TG170), fornece ao PCB proteção adicional contra temperatura

Radiação ionizante:PCBs para aplicações aeroespaciais são bombardeados com partículas de diversos tipos, além da radiação eletromagnética gerada pelo sol e outros corpos celestes. Essa radiação pode causar distúrbios temporários (como inversão de bits ou exclusão de memória) ou danos permanentes aos componentes, choques e vibrações, especialmente em aplicações automotivas e aeroespaciais.

Corrosão:É uma das principais armadilhas de qualquer peça metálica. A corrosão ocorre quando o oxigênio e o metal se ligam por meio de um processo conhecido como oxidação. Isso produz ferrugem e faz com que o metal perca suas propriedades químicas, decompondo-se com o tempo. Como os PCBs contêm uma grande quantidade de metal, se expostos ao oxigênio, ficam sujeitos à corrosão.

Para evitar danos causados ​​por agentes atmosféricos, um revestimento protetor não condutor conhecido como revestimento conformal é aplicado ao PCB após a montagem (Figura 1). Isso é comumente aplicado a PCBs para consumidores, eletrodomésticos e dispositivos móveis, onde é comum operar na presença de umidade, poeira ou outros fatores ambientais adversos. A camada protetora aplicada na placa de circuito impresso permite que a umidade presente nas camadas da placa de circuito impresso flua para fora, evitando que agentes externos atinjam a placa e seus componentes, comprometendo seu funcionamento. Além de aumentar a confiabilidade, o revestimento isolante prolonga a vida útil do circuito.

Os tipos mais comuns de revestimento isolante são silicone, resina acrílica, poliuretano e p-xileno, cada um capaz de fornecer um certo nível de proteção. O silicone, por exemplo, pode cobrir a mais ampla faixa de temperaturas e é, portanto, a melhor escolha para aplicações com temperaturas extremas. Por outro lado, o silicone apresenta baixo poder adesivo em alguns tipos de substrato e menor resistência química que a resina acrílica. Este último, devido à sua estrutura rígida, não é particularmente adequado na presença de choques e vibrações. Os poliuretanos oferecem alta resistência à umidade, abrasão e vibrações, suportam bem baixas temperaturas, mas não altas. Conclui-se que eles são usados ​​principalmente em aplicações com temperaturas de -40 grau a +120 grau. O P-xileno é um material consistente que oferece alta proteção, mas é caro e por ser sensível a contaminantes deve ser aplicado em vácuo.

Em relação à aplicação do revestimento isolante de PCB, quatro técnicas podem ser utilizadas: imersão, revestimento seletivo automatizado, pulverização e escovação. Cada uma dessas alternativas atinge o mesmo objetivo: cobrir completamente a PCB, incluindo as arestas vivas e todas as arestas da placa. Após a aplicação, o revestimento isolante é curado por secagem ao ar, secagem em estufa ou por luz UV.

O aumento da densidade dos componentes na PCB leva a um inevitável aumento das temperaturas de operação, condição que a longo prazo pode comprometer a integridade das soldas ou das próprias camadas devido à expansão e contração de materiais com diferentes propriedades físicas. Uma PCB de alta temperatura deve, portanto, usar um dielétrico com uma temperatura de transição vítrea (Tg) de pelo menos 170 graus. Uma regra normalmente aplicada é permitir temperaturas de operação até cerca de 25 graus inferiores ao valor de Tg do material utilizado. Além da escolha do material, a alta temperatura da PCB pode ser gerenciada removendo o calor produzido e transferindo-o para outras áreas da PCB. Se o componente quente for montado na parte superior da placa de circuito impresso e tiver uma superfície suficientemente grande, um dissipador de calor poderá ser instalado nele, capaz de remover o calor primeiro por condução (do componente para o dissipador de calor) e depois por convecção (de as superfícies do dissipador de calor para o ar circundante mais frio).

Se o componente quente for montado na parte inferior da PCB e não for possível montar um dissipador de calor, a técnica normalmente usada pelos projetistas é inserir um grande número de caminhos térmicos na PCB para transferir o calor do componente quente para uma camada. de cobre na parte superior do PCB, de onde pode ser transferido para um dissipador de calor adequado. Normalmente, os dissipadores de calor montados em PCB são grandes, com superfícies aletadas ou onduladas para aumentar a área de dissipação. Ventiladores podem ser adicionados para melhorar o resfriamento por convecção forçada, em comparação ao resfriamento por convecção natural.

Para missões espaciais de longo prazo, a única opção disponível é usar componentes “rad-hard”. Estes componentes são muito mais raros e consequentemente mais caros que os componentes padrão. Para missões espaciais de curta duração (até um ano), poderá ser permitida a utilização de componentes comerciais normalizados, sujeito à análise e verificação da sua capacidade de resistência à radiação. Isso permite reduzir os custos de projeto de equipamentos espaciais e expandir a seleção de componentes disponíveis para projeto. Ao aplicar diferentes técnicas de design de hardware, os efeitos produzidos pela radiação podem ser combatidos. No nível de projeto da PCB, por exemplo, é importante garantir o aterramento adequado de todas as peças metálicas.

Para fornecer proteção contra choques e vibrações, o PCB pode ser instalado em um recipiente no qual a resina é derramada para encapsulá-lo totalmente. Quanto maior for a camada de resina, melhor será o grau de proteção. A menos que todos os componentes da PCB tenham uma altura uniforme, a espessura da camada de resina irá variar em toda a placa, proporcionando níveis de proteção ligeiramente diferentes para cada componente. A camada de resina mais fina corresponde, portanto, no pior dos casos, ao nível de proteção oferecido em toda a placa. Antes mesmo de considerar o encapsulamento de resina, o PCB deve ser completamente limpo. A contaminação da superfície pode impactar negativamente os níveis de proteção oferecidos pelo encapsulamento, principalmente em casos de resistência química (pois proporciona um caminho mais fácil para a entrada de produtos químicos).