针对恶劣和极端环境中产品的PCB设计

针对极端环境进行PCB设计时，需要考虑哪些重要因素？了解更多关于其中的挑战以及如何使PCB更好应对热量、海拔、冲击和振动环境的信息。

海拔变化 – 它对PCB有什么影响？

PCB设计工程师必须要解决的一个挑战是 – 空气密度随着海拔变化而产生的影响。众所周知，大气的密度随着海拔的增加而下降，当到达一定高度时，电流就会可以在较低的电压下产生电弧，也就意味着空气在较稀薄的大气中的击穿电压更小。更糟糕的是，与光滑固定的表面相比，电荷在某一点积累得更快，积累起来的电荷可能会成为弧点。

那么，如何减缓这种现象呢？首先，参考IPC-2221第6节设计规范部分中，有不少关于如何设计电气间隙的内容。其次，另一种防止电弧产生的方法，就是在设计中使用圆角。具体来说，就是在铺铜区、焊盘以及线路弯折处等避免使用90°的内外角设计；工程师们还需要注意连接引脚。由于电路板各区域通常与不同水平的电压相连接，因此在这些地方也存在着更大的电弧风险。有时候，连接器上会有未使用的引脚，如果我们间隔使用引脚，就可以获得更大的间隙。

当PCB暴露在极端的冲击和振动环境时会发生什么？

极端冲击是指PCB在短时间内承受高幅度运动的情况，而极端振动是指PCB在较长的时间内进行持续低幅度运动的情况。外力使得PCB围绕质心摆动，反过来会对PCB材料及连接点产生压力。材料将在PP与铜层间的粘合点上受到应力，孔铜可能会出现断裂。我们可以通过很多细节来减轻振动和冲击，关键是找到在保持机械稳定性的同时要增加到系统中的最小质量。以下是一些PCB设计时的注意事项，包括熔接和灌胶。

针对振动和冲击的PCB设计

我们可以在电路板上设计更多的安装孔。更多的安装孔意味着更多的固定点和更高的稳定性，这也将允许在系统中安装更多的减振装置。

我们要解决的PCB的另一个关键是堆叠。在课程中，我们会研究一些有趣的课题，比如为卫星应用设计电路板和叠层。对于将受到极端冲击或振动情况的PCB，确保PP有足够的树脂量来承受这些情况，是至关重要的。PP负责将各层粘合在一起，在承受振动或冲击时，PCB可能会产生弯曲，进而在连接点上产生应力。为了尽量减轻应力，我们应该考虑使用树脂含量超过50%的PP。此外，使用两张以上的PP是增加粘连强度的另一种方式。但这种方式适用性不高，因为要兼顾信号完整性要求。如果不要求信号完整性，该怎么办？如果3张PP更好，那么4张PP的粘接性会更好，对吗？有可能。但同时，我们需要考虑到过多的PP将不利于层间对位。除非您的PCB供应商有高明的方法，否则我会尽量保持最多3张PP的用量。如果需要更高的厚度，但不能添加更多的PP，那么我建议考虑在叠层中使用不含铜的芯板材料。与PP不同，不含铜的芯板材料已经固化，因此它不会在压合中增加任何树脂。因此，不会影响到层间对位。

最后，我想谈一谈内部连接点。随着PCB的振动，导通孔也在振动，这对于孔内镀铜层来说，是一种考验。当电镀层受到应力时，会有开裂的风险，随时更换或维修故障的PCB都是不现实的。通过更厚的孔内电镀来提升PCB的可靠性，是一种方法，但不适用于所有的产品。

PCB和散热管理

散热管理是我想强调的最后一个挑战。对于极端环境中的PCB，被动冷却的方式，如对流，是一种可取的解决方案。普通环境中的PCB可以连接到底盘上进行散热，或者通过其他设备冷却。在极端环境中运行的PCB却不是总能支持类似的散热方案，所以我们可以将PCB设计为主动散热。

用于散热的不同形状的铜块

如果简单地增加铜厚不能满足散热，可以选择在PCB中埋入铜块。简而言之，就是在PCB中构建一个简单的散热器，位于零部件的正下方，与发热元件直接接触，某些情况下，甚至可以与元件进行电气连接。这种方式的优点是能够更高效地传导热量，缺点是很考验PCB制造商的能力。每进行一次埋铜，就会产生一个薄弱点。薄弱点过多会导致翘曲和意料不到的后果，请设想一下一个使用了大量埋铜技术的PCB处于极端的冲击或振动环境，会发生什么？

要了解如何进行埋铜块PCB设计，欢迎点击下载我们的埋铜PCB设计指南

与其在设计PCB时过多地使用埋铜，不如考虑采用金属芯板结构。金属芯板可以压合在叠层中，来提供最佳散热能力。在布局时，应仔细考虑介电厚度，我们建议在元件层和金属芯板中间尽量使用薄的电介质。这是因为较薄的介电层具有较低的耐热性。这一建议跟我在应对冲击和振动环境中的PCB设计建议冲突了，但随着PCB越来越复杂，我们必须考虑到其中的联动关系。

极端环境会使PCB面临更多未知的挑战，已知挑战的风险也会更大。我们为了减轻极端环境对PCB造成的影响，尽力去优化其设计及制造流程，但也必须意识到，彻底全面杜绝所有风险是很困难的，只能尽量平衡各方，帮助您制造更耐用可靠的PCB。

而关于如何最大程度减少风险，我能提供的最佳建议是在项目早期就寻求专业的PCB供应商进行技术合作，他们更了解PCB设计的关键因素和产线的制程能力，并且具有丰富的经验，能够以最有效和最可持续的方式为您提供PCB相关服务。