恶劣和极端环境中的PCB - 如何定义极端环境

在恶劣和极端环境中使用的PCB，意味着需要在极端的温度、湿度、持续振动、强烈冲击和其他可能影响可靠性及其正常性能的条件下工作。要设计和制造此类PCB，你需要有扎实的行业知识、工具和丰富的实践经验。在本文的上下部分，我们将讨论如何定义极端环境，以及如何设计在此类环境中工作的PCB。

如何定义“极端环境”，这是个非常广泛的议题。由于不同行业和应用领域对环境要求的差异，“极端环境”的定义变得非常模糊。在医疗行业，这可能意味着高温、高压、高湿和高辐射等条件，而在航空航天领域，可能指的是极寒、低气压、强震动等极端条件。

只有在充分了解产品需求和应用场景的基础上，PCB制造商才能制定相应的设计和材料选择策略，从而为客户提供安全可靠的PCB解决方案。

2022年底，我完成了为期六周的关于军事、航空航天和其他极端环境中的PCB的IPC认证课程。这门课程深入浅出地让我了解如何运用知识和工具，为相关行业的客户提供技术支持。无论是航空航天、军事还是工业应用，恶劣的环境都意味着，PCB需要在极端的温度、湿度、持续振动、冲击和其他可能影响可靠性及其正常性能的条件下工作。

我觉得有必要将这些知识分享给我们的客户和合作伙伴。在本文的上半部分，我将首先举例一些应用和产品，以及为什么说它们是在极端环境中工作，下半部分，我将更多地介绍相关的技术要点，以及如何设计这些环境中的PCB。

产品和应用示例

航空航天

惯性测量单元（IMU）是一种用于测量飞机、航天器或导弹的方位、速度和加速度的电子设备。它们为飞行控制和导航提供关键数据支持，对于在恶劣的航空航天环境中保持安全和精确的飞行操作至关重要。

深海

自主水下航行器（AUV）是一种在没有系绳或遥控器的情况下操作的机器人航行器，使用船上的传感器和导航系统在深海环境中导航或执行任务。AUV可承担多种任务，如水下测绘、海洋探索、石油和天然气勘测等。

井下钻进

随钻测量工具（MWD）是在钻井作业过程中安装的电子设备，用于测量各种参数，如温度、压力和井眼轨迹。随钻测量工具将这些数据实时传输到地面控制系统，使钻探人员能够根据实时情况调整钻井参数。

国防

用于国防的通信系统是一种专用电子设备，需要可靠耐用坚固，能够在极端温度、湿度、冲击和振动等环境中正常工作，为国防人员提供关键数据和通信能力。

在极端环境中，PCB可能会受到哪些影响？

除上述的产品和应用外，还有很多其他产品也正经受着极端环境的考验。现在，让我们来看看在极端环境中的PCB可能会受到哪些影响？

湿气和腐蚀

水或湿气可能渗入PCB，造成腐蚀或氧化，导致PCB及其部件随着时间的推移而失效。特别是在海下应用中，由于海水的腐蚀性，可能会加剧这一问题。

压强

在例如深海、太空等环境中，高压广泛存在。根据应用深度（高度）和类型的不同，PCB可能会受到不同程度的压强，这会影响PCB的机械完整性。在太空的真空环境中，由于缺乏大气压，PCB会遇到许多不同的问题。

温度

在这里，我们不仅仅指高温或冰点以下的温度，还关注诸如海洋中的温度变化，或者更细节的，太空中卫星的工作温度可能会根据与太阳的相对位置和方向而变化。如果卫星处于太阳直射位置，由于太阳的强热，它们可能遭受极端温度的影响。阳面的温度可能达到200℃（392℉）或更高，而阴面的温度可能低至-200℃（-328℉）或更低。

振动和冲击

这些应用环境会使PCB受到猛烈冲击或持续处于振动状态中，对PCB及其组件造成损坏。比如狂风，当我在美国空军时，我看到F-16在跑道上滑行，它们的加速度和受力是令人难以置信的强度，PCB需要经受住这种剧烈而快速的加速。

EMI/RFI干扰

在某些环境中，PCB可能会受到电磁干扰（EMI）或射频干扰（RFI），这会影响PCB及其组件的性能。

其他极端环境危害

除上述的极端环境下，还有诸如风暴、泥沙、灰尘和碎片等工作环境，这些环境也会对处于其中的PCB造成损坏或影响其性能。

极端环境下，可靠PCB的必要性

最后，让我们再强调一下极端环境中的产品最关键的特点，它们需要是可靠的。在这里，没有退而求其次。这不是我的烤面包机，我可以去买另一个，或者如果它坏了、故障了，我可以不用它。这些产品，往往不允许失效，毕竟，把一磅质量放到太空中，就需要花费大约1万美元。

我们必须在确保关键电子系统安全和可靠的前提下，设计PCB。必须要意识到，即便是单个PCB的故障，也可能造成严重后果，小到设备无法使用，大到生命、财产或关键任务信息的损失。因此，PCB设计者和供应商都必须格外谨慎，确保他们的产品满足这些应用环境所需的高可靠性标准。
我将在本课题的下半部分详细讨论这一点。

审核编辑 黄宇