针对高海拔、振动、冲击和高温等极端环境的PCB设计

在上篇中，我较多地谈到了PCB在恶劣和极端环境中所面临的挑战和风险。这一次，我想更深入地探讨有关极端环境下PCB设计的关键点。

当我想到极端环境中特有的一些挑战后，我再次惊叹于强大的现代科技。海拔、振动、冲击和高温的负面影响，不断困扰着我们每天所依赖的电子设备，但人们仍然能够突破重围，将可靠的电子系统部署在这些严峻的环境中，并且确保它们能够顺利运行。

海拔变化 - 对PCB有何影响？

PCB设计工程师必须要解决的一个挑战是 - 空气密度随海拔变化而产生的影响。众所周知，大气的密度随海拔增加而下降。在相同的电压下，如果空气密度降低，电场强度将增加，这就意味着在较高海拔下，电路中的气体或绝缘材料可能更容易被击穿，因此需要降低最高工作电压来维持相同的绝缘特性。

那么，如何减缓这一现象呢？首先，参考IPC-2221第6节设计规范部分，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，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。同时，工程师也需要考虑连接引脚，由于电路板的各区域可能关联不同的电压水平，因此在这些地方可能存在更大的电弧风险。有时候，连接器上会有未使用的引脚，如果间隔使用引脚，就可以获得更大的电气间隙。

持续振动和猛烈冲击 - 对PCB有何影响？

猛烈冲击是指PCB在短时间内承受高幅度位移的情况，而持续振动则指PCB在较长时间内持续进行低幅度位移。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。材料在PP与铜层间粘合处受到应力，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。以下是一些振动和冲击环境中的PCB设计注意事项：

针对振动和冲击的PCB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。

叠层设计。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，是非常重要的。PP负责将各层粘合在一起，在承受振动或冲击时，PCB可能会弯曲，进而在连接点产生应力。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粘连更牢靠，那么4张PP会更好，对吗？有可能。但同时，我们需要考虑过多的PP将不利于层间对位。除非您的PCB供应商有确切的宝我，否则我更建议最多使用3张PP。如果需要更厚的铜厚，但不能增加更多的PP，可以考虑在层压结构中使用无铜芯板。与PP不同，无铜芯板已经固化，因此不会在压合过程中增加任何树脂。因此，不会牺牲层间的对准精度。

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。当孔内电镀层受到应力时，会有开裂的风险，随时更换或维修都是不现实的。通过更厚的孔内电镀来提升PCB的可靠性，是一种途径，但不适用于所有情况。

PCB和散热管理

散热管理是我想强调的最后一个挑战。散热管理的基本目标是确保所有电路元件，特别是IC芯片，保持在各自的功能及最大的容许范围内。

电子产品内产生的热量是通过三种基本传热方式（传导、辐射和对流）进行消散的。材料的导热能力与其导热系数、横截面积及温差相关。而辐射，则主要通过红外波长的电磁辐射传热。在真空环境下，例如太空，辐射是物体唯一的传热方式。

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。常规环境中的PCB可以连接到底盘上进行散热，或通过其它设备冷却。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。

增加散热的简单方法，是直接增加PCB的铜厚。更厚的铜，能更好地导热。需要注意的是，确保PCB规格中的电气间隙足以支持使用更厚的铜来散热。

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，是能够更高效地进行热量传导，但对PCB制造商来说是种挑战。每进行一次埋铜处理，就会产生一个薄弱点，薄弱点过多会导致翘曲和意想不到的后果，请设想一下，一个使用了大量埋铜技术的PCB处于极端的振动或冲击环境，会发生什么？

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。金属芯板可以压合到叠层中，来提供最佳散热能力。在布局时，应仔细考虑介质厚度，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材料的热阻更小。这个建议与我之前提出的设计叠层以抵御冲击和振动情况的建议相悖了，但随着PCB越来越复杂，我们必须考虑到其中的联动关系。

极端环境会带来很多未知的挑战，我们为了减轻极端环境对PCB造成的影响，尽力去优化其设计和制造流程，但也必须意识到，彻底全面规避掉所有风险是很困难的，只能尽量平衡各方，帮助制造更可靠耐用的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。不同于客户更了解产品，PCB供应商更了解的是产品的PCB设计如何顺利制造，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，能够以具有成本效益和最可持续的方式为您提供PCB相关服务。

如果您对上文中提到的埋铜PCB有兴趣，我们为您创建了一份常规的埋铜PCB设计指南，帮助您了解关于埋铜设计的更多信息.

审核编辑 黄宇