Если вы работали с электроникой, вы, вероятно, согласитесь, что для вашей схемы никогда не существует «идеальных условий», на работу схемы может легко повлиять окружающая среда, в которой она эксплуатируется. Даже схема, которая хорошо спроектирована и протестирована, может вести себя совершенно по-другому в промышленной среде. В этой статье мы рассмотрим различные факторы окружающей среды (электромагнитные помехи, температура, пыль, влажность, дождь и др.), которые могут негативно влиять на электронику и рассмотрим решения для снижения воздействия окружающей среды на печатные платы.
Существует множество различных факторов окружающей среды, способствующих отказу конструкции печатной платы. Основными из них являются:
- Температура.
- Пыль.
- Влага, вода или дождь.
- Электромагнитные помехи (ЭМП).
- Воздействие различных химикатов и газов.
Рассмотрим влияние каждого из этих факторов более подробно.
Влияние температуры на печатные платы
Температура влияет на срок службы компонентов. Каждый компонент имеет соответствующий температурный класс, описанный в его паспорте в разделе условий эксплуатации. Температура влияет на печатную плату механически. В жестких температурных условиях происходит расширение и сжатие печатной платы, что повреждает паяное соединение компонентов.
Помимо печатной платы, температура снижает срок службы конденсаторов и увеличивает вероятность теплового срабатывания в мощных компонентах, которые являются причиной выхода из строя электронных схем.
На изображениях ниже приведены характеристики двух конденсаторов с одинаковым значением и одинаковым номиналом, имеющих два различных диапазона рабочих температур. Это 85-градусный 0,1 мкФ 50 В постоянного тока электролитический конденсатор от Wurth Elektronik с номером детали — 860010672001.
А это электролитический конденсатор номиналом 105 градусов 0,1 мкФ 50 В постоянного тока от Wurth Elektronik с номером детали – 860020672001.
В большинстве случаев полностью закрытый продукт, не имеющий надлежащих вентиляционных отверстий для воздушного потока, изменяет свои тепловые характеристики когда температура окружающей среды начинает расти. Если мы внимательно посмотрим и сравним характеристики конденсаторов на приведенных выше изображениях, то увидим, что оба конденсатора имеют одинаковые характеристики, за исключением тока пульсации. Конденсатор с номиналом 105 градусов имеет более низкий ток пульсации при данной температуре. Использование конденсатора с номиналом 85 градусов в среде с температурой 105 градусов сократит срок службы конденсатора и повлияет на работу схемы.
Советы по проектированию печатных плат для высокотемпературных применений
Важно знать среду, в которой будет использоваться электронное изделие, прежде чем проектировать схему. При проектировании схемы необходимо учитывать следующее:
- Если внутри корпуса не будет циркуляции воздуха, необходимо предусмотреть соответствующий радиатор.
- Если в конструкции не предусмотрено место для радиатора, необходимо предусмотреть соответствующие вентиляционные отверстия.
- Выбор правильных компонентов в зависимости от температурного класса.
- Тщательное проектирование печатной платы с распределением наиболее нагретых компонентов по всей ее площади для уменьшения рассеивания тепла в одной конкретной точке.
- Выбор печатной платы с соответствующим температурным классом для предотвращения деградации.
Воздействие пыли на печатные платы
Ну, нет ничего идеального. Простая форма частицы пыли внутри печатной платы индуцирует паразитную емкость между контактными площадками компонентов. Это влияет на высокочастотные цепи, особенно на антенны RF, которые размещены на печатной плате. В очень высокочастотных цепях, работающих в диапазонах ГГц, частица пыли может потенциально ухудшить производительность RF при длительной работе. Это связано с измененным интервалом проводимости, который влияет на импеданс печатной платы.
На рисунке ниже показан этот эффект на печатной плате.
Выделенная красным часть является критической, где частицы пыли застревают из-за электростатического разряда. Эта часть приводит к дисбалансу импеданса печатной платы , а также может проводить влагу и разрушать паяные соединения компонентов.
Как избежать попадания пыли на печатные платы?
Конечно, невозможно всегда на 100% защитить плату от пыли, но вам следует проверить следующие вещи, чтобы избежать серьезных неисправностей печатной платы из-за этого фактора:
- Чистая печатная плата после пайки.
- Сборку необходимо проводить в чистых местах, где пыль не является существенным фактором.
- Для высокочастотного оборудования, используемого в очень пыльных и суровых условиях, необходимо добавить пылезащитный корпус с соответствующим классом. Можно использовать корпус с классом защиты IP65 с уплотнительной прокладкой.
Также советуем прочитать статью про 10 важных факторов которые следует учитывать при выборе корпуса для электроники.
Влияние влаги, воды и дождя на печатные платы
Другим важным и разрушительным фактором окружающей среды является влажность или дождь. Это приводит к ржавчине, окислению, коррозии, а иногда и к коротким замыканиям. Длительное воздействие печатной платы в среде, где есть влажность, может значительно ухудшить эпоксидное стекло, смолу или стеклянные интерфейсы и может привести к растрескиванию на плате. Это также замедляет скорость цепи и увеличивает время задержки с функциями соответствующего устройства в высокочастотных операциях. Неправильная герметизация может привести к засорению цепей водой, и из-за дождя или воды может произойти короткое замыкание. На изображении ниже показано влияние влаги на печатную плату.
На приведенном изображении видно, что влага воздействовала на всю печатную плату и вызвала коррозию компонентов.
Как защитить печатную плату от влаги, воды и дождя?
- Используйте корпус со степенью защиты IP65 или IP67, если в среде применения слишком много влаги или она случайно подверглась воздействию дождя или воды.
- Использование соответствующих пакетов или влагонепроницаемых элементов при сборке и перемещении печатных плат.
- Уменьшите вероятность того, что стекло или печатная плата на основе эпоксидной смолы станут холоднее воздуха, чтобы остановить образование влаги.
Влияние электромагнитных помех и электромагнитных полей на печатные платы
Электромагнитные помехи (ЭМП) и электромагнитные поля (ЭМП) являются очень важной проблемой, когда высокочастотная цепь или импульсный источник питания работают в жестких полях, где излучение магнитного поля является важным фактором, например, на электростанциях, вблизи больших трансформаторов или двигателей и т. д.
В таком случае магнитное поле может создавать значительно большее количество шумов и перекрестных помех в электронных цепях, где может происходить дрейф частоты. Кроме того, высокочастотные цепи, которые подвергаются воздействию большой площади открытого поля, могут влиять на передачу радиочастот вблизи земли, и передача сигнала не будет иметь возможности для передачи на большие расстояния.
В данном случае требуется добавить адекватную защиту или экранирование к основной плате. Одним из идеальных и широко используемых для этого решений является клетка Фарадея. Надлежащее проводящее экранирование высокочастотных компонентов также значительно улучшает устойчивость к электромагнитным помехам и электромагнитному излучению.
На рисунках ниже показан пример клетки Фарадея в импульсном источнике питания и проводящего экрана в высокочастотных устройствах, содержащих радиочастотные компоненты.
На изображении показан модуль ESP32 Wroom, который является высокочастотным модулем WiFi и Bluetooth с защитой от электромагнитных помех для снижения помех. Показана конструкция модуля без экрана и с экраном. Экранирование подключено к заземлению модуля.
А на следующем рисунке показан импульсный источник питания (ИИП), экранированный клеткой Фарадея.
Как защитить печатные платы от электромагнитных помех и электромагнитного поля?
- Как уже обсуждалось, клетка Фарадея может стать решением для больших электронных схем.
- Проводящее экранирование повышает устойчивость к шумовым помехам.
- Правильный выбор компонентов и правильная конструкция печатной платы снижают уровень электромагнитных помех и повышают помехоустойчивость.
- Использование в схеме переходных отверстий для экранирования ЭМП.
Более подробно про электромагнитные помехи, их типы, стандарты и методы экранирования от них вы можете прочитать в следующей статье.
Воздействие различных химикатов и газов может повредить ваши печатные платы
Это не основная причина, но все равно она может привести к значительному повреждению печатной платы, а также электронного изделия при воздействии более сильного химического соединения в окружающей среде.
Поскольку каждый компонент состоит из кремния или различных типов специализированных жидкостей (особенно в конденсаторах), химическое воздействие увеличивает вероятность отказа. Печатная плата не только подвергается воздействию химикатов, она также производит опасные и токсичные химикаты, которые возвращаются в окружающую среду без надлежащего управления электронными отходами. Основное химическое воздействие — это хлорид, который вызывает коррозию паяных соединений или медных дорожек и значительно снижает производительность.
Некоторые газообразные материалы, такие как сульфид, диоксид серы, хлор и диоксид азота, опасны для паяных соединений и медных дорожек.
На следующем рисунке показано как загрязнение химическим веществом (диоксидом серы) повредило печатную плату, а также конденсатор и резистор.
Как защитить печатные платы от химикатов и газов в суровых условиях?
- Наличие конформного покрытия на печатной плате.
- Выбор компонентов, которые могут работать в зонах с опасным загазованным воздухом.
- Использование герметика в корпусе.
Таким образом, экологическая нагрузка может значительно сократить срок службы электроники и повлиять на производительность оборудования или ухудшить ее. Наличие достаточных знаний об окружающей среде и выбор правильного компонента являются ключом к успеху и ведут к сокращению дополнительных временных и денежных вложений.
Заключение
В статье мы рассмотрели различные факторы окружающей среды, которые могут оказать негативное воздействие на функционирование печатной платы и снизить срок ее службы, а также методы борьбы с ними. По возможности, старайтесь придерживаться приведенных в статье методов борьбы с ними, но помните, что мы рассмотрели лишь небольшой круг аспектов этой проблемы, поэтому при проектировании печатных плат старайтесь придерживаться рекомендаций, приведенных в стандартах IPC.
