Zabezpieczenie PCB przed wilgocią - najlepsze praktyki

Zawilgocenie płytek PCB jest częstą przyczyną ich awarii, szczególnie w urządzeniach umieszczonych pod gołym niebem. Całe szczęście, jest kilka sposobów ochrony płytek, które pracują w takich miejscach. Przeczytaj artykuł, aby dowiedzieć się, który z nich jest dla Ciebie najlepszy.

Kiedyś używałem systemu czujników zainstalowanego poza budynkiem i wyposażonego w wykonaną na zamówienie powłokę ochronną dla płytki PCB. Każdego ranka przez dwie godziny urządzenie odmawiało rejestrowania jakichkolwiek danych. Nie działo się tak dlatego, że potrzebowało chwili relaksu przed rozpoczęciem codziennej pracy. Prawdziwa przyczyna polegała na tym, że w skrzynce z czujnikami gromadziła się poranna rosa, przez co płytka przestawała działać. Oczywiście w ogóle nie przyszło nam do głowy, że nasza płytka PCB umieszczona pod gołym niebem może być narażona na wilgoć. Chociaż z pewnością nie była to najlepsza sytuacja, i tak mieliśmy szczęście, gdyż w układzie nie dochodziło do zwarcia i zaczynał on poprawnie działać po wyschnięciu.

Takie pomyślne zbiegi okoliczności zdarzają się rzadko, ale dzięki temu wiem, że wilgoć jest częstą przyczyną awarii obwodów drukowanych. Wiedząc już, jak zabójcza dla elektroniki może być skraplająca się woda, rozważmy, jakie są dostępne rozwiązania zabezpieczające płytki.

^{Chroń płytki przed wilgocią - umieść je w plastikowej obudowie PCB}

Obudowy dla PCB

Najprostszym rozwiązaniem pozwalającym na poradzenie sobie z wilgocią jest umieszczenie płytki drukowanej w pudełku. Obudowy nie wymagają dużych zmian w projekcie płytki i są stosunkowo tanie. W prototypie może się sprawdzić nawet plastikowy pojemnik na żywność uszczelniony silikonem. (Porada eksperta: koniecznie czysty pojemnik. Czipsy i elektronika to nie jest dobra mieszanka.)

W sprzedaży jest dostępny szeroki asortyment pudełek i obudów z różnymi opcjami uszczelnienia i w prawie każdym rozmiarze.

Jeżeli przejdziesz na wyższy poziom i zaczniesz samodzielnie projektować obudowy, rozważ użycie ścianek zaokrąglonych tak, aby osadzająca się na nich wilgoć była odprowadzana daleko od płytki PCB. Dodaj również szczeliny montażowe dla płytki drukowanej. W projekcie płytki zastosuj wystarczający margines, aby po wsunięciu jej w szczeliny żadne komponenty nie dotykały obudowy.

Możesz również dołączyć desykant (wiesz, te paczuszki z napisem NIE NADAJE SIĘ DO SPOŻYCIA, które znajdujesz w pudełkach po butach i opakowaniach suszonej wołowiny), który będzie pochłaniał wilgoć z obudowy.

Szczelna obudowa jest często łatwym rozwiązaniem, bo i tak Twoja elektronika będzie musiała jakąś mieć. Jednak w niektórych sytuacjach taka obudowa to za mało. Powinieneś zapewne poszukać dodatkowych możliwości ochrony, jeżeli:

• Potrzebujesz szczególnie skutecznej ochrony ze względu na warunki środowiskowe

• Obudowa będzie regularnie otwierana

• W obudowie są otwory na przewody lub inne komponenty wejścia/wyjścia.

^{Płytka PCB uszkodzona przez zanurzenie w wodzie wskutek braku zabezpieczenia PCB}

Zastosuj powłokę konforemną celem zabezpieczenia PCB

Powłoki konforemne są powszechnie używane do zabezpieczania płytek PCB. Jest kilka rodzajów takich powłok, ale łączy je niska cena oraz możliwość skalowania wraz z produkcją.

Przed wyborem materiału powłoki musisz określić, czy potrzebna będzie ochrona jedynie przed wilgocią, czy przed czymś jeszcze. Nasze układy pracowały pod gołym niebem, niekiedy w pobliżu pól uprawnych, więc braliśmy pod uwagę temperaturę, niesprzyjające warunki pogodowe, a także pestycydy, które mogą dostać się do obudowy (ponieważ musieliśmy ją często otwierać). W jednym z układów natknęliśmy się też na niespodziankę w postaci grzyba. Przeróbka płytek stała się dzięki niemu naprawdę wyjątkową sytuacją.

Gdy wybierasz powłokę, weź pod uwagę następujące właściwości:

• Odporność na wilgoć. Właśnie dlatego tu jesteśmy. Producenci większości powłok konforemnych gwarantują, że chronią one przed wilgocią. Jednakże każda szczelina powietrzna na płytce może mieć na nią negatywny wpływ. ąNie wszystkie powłoki są sobie równe, więc sprawdź specyfikacje producenta, aby upewnić się, że dana powłoka zabezpieczy urządzenie przed deszczem, wilgotnością lub innymi warunkami, na jakie będzie ono narażone.

• Odporność chemiczna. Powinieneś zwrócić na nią szczególną uwagę, jeżeli Twoja płytka będzie mogła mieć styczność z pestycydami, słoną wodą lub innymi substancjami korodującymi. Nie wszystkie powłoki chronią przed każdą substancją.

• Zakres temperatur: Czy Twoja powłoka będzie musiała radzić sobie ze znacznymi temperaturami lub jej gwałtownymi zmianam? Jeżeli tak, to powłoka musi odkształcać się tak samo, jak płytka, aby nie powodować naprężeń ani pęknięć komponentów i spoiwa.

• Właściwości dielektryczne: Właściwości dielektryczne niektórych powłok mają swoje wady i zalety. Izolacja zapewniona przez powłokę może dać projektantom więcej swobody poprzez zmniejszenie niezbędnych odstępów. Z drugiej strony, właściwości dielektryczne niektórych powłok mogą sprawić, że będziesz mieć zupełnie przechlapane, ponieważ mogą zmienić dopasowanie impedancji RF, której optymalizacja potrafi potrwać całe tygodnie.

• Łatwość aplikacji: Kto będzie nakładał powłokę i jak dobrze ma ona wyglądać? Można aplikować powłokę przy użyciu pędzla, chociaż zazwyczaj rezultat takich działań wygląda bardzo niechlujnie. Polecam nakładanie powłoki poprzez jej rozpylanie lub zanurzenie płytki. Alternatywą są zautomatyzowane procesy aplikacji, które zapewniają o wiele większą powtarzalność wyników, ale też są o wiele droższe.

W naszym startupie zawsze nakładaliśmy powłoki przez rozpylanie ręczne. Rano pokrywaliśmy przód płytki, potem szef zabierał nas na lunch, a po południu zajmowaliśmy się drugą stroną. Polecam taki plan pracy.

• Elastyczność. Jeżeli Twoja płytka posiada ostre krawędzie, wiele złączy lutowanych lub inne nieregularne elementy topograficzne, potrzebujesz bardzo elastycznej powłoki, która pokryje całą płytkę równomiernie. Zapytaj dostawcę o lepkość i płynność powłoki, aby określić, czy spełnia ona Twoje potrzeby.

• Przeróbki. Zasadniczym celem powłoki jest ochrona płytki, co oznacza, że usunięcie jej zwykle nie jest łatwe. Jeżeli planujesz wykonanie jakichkolwiek przeróbek, wybierz taką powłokę, którą będzie można łatwo zdjąć bez stosowania trudno dostępnych chemikaliów lub mocnych rozpuszczalników.

^{Zabezpieczenie PCB chroni płytki od usterek}

Najpopularniejsze materiały powłok to:

• Silikony. Zwykle dobrze znoszą wysokie temperatury i łatwo możesz je nałożyć samodzielnie. Są też elastyczne i odporne na działanie większości substancji chemicznych oraz wilgoci.

• Uretany. Świetnie się sprawdzają wszędzie tam, gdzie potrzeba maksymalnej twardości. Dzięki niej są odporne na zarysowania. Jeżeli zechcesz usunąć taką powłokę, aby przerobić płytkę, będziesz musiał uciec się do radykalnych środków.

• Lakiery. Są one oparte na naturalnej żywicy i występują w ogromnej liczbie odmian. Ich tolerancja temperatury, odporność na wilgoć i elastyczność również może być bardzo różna.

• Akryle. Jest to dobre rozwiązanie do ogólnej ochrony płytki. Powłoki akrylowe mają też tę zaletę, że w razie potrzeby łatwo jest usunąć je z płytki.

Na stronach firm Miller-Stephenson, ACC Silicones, ElectroLube i HumiSeal znajdziesz dobre opisy wariantów powłok, które pomogą Ci dokonać właściwego wyboru.

Oprócz tego, przed nałożeniem powłoki należy pamiętać o maskowaniu wszystkich komponentów, które nie powinny być nią pokryte.

Zalej swoje urządzenie tworzywem

Czasami trzeba pójść na całość w kwestii ochrony, co oznacza konieczność zalania urządzenia tworzywem. Polega ono na umieszczeniu całej płytki w materiale ochronnym, najczęściej żywicy epoksydowej lub silikonie.

Zwykle zalewa się pojedyncze komponenty, ale obwody drukowane narażone na kontakt ze słoną wodą lub innymi agresywnymi czynnikami bywają zalewane w całości. Takie całkowite zabezpieczenie trzeba zamawiać u producenta. Trudno jest zupełnie wyeliminować puste przestrzenie i szczeliny powietrzne w materiale, a mogą one zniweczyć całą pracę, którą włożyłeś w zabezpieczenie płytki.

Kolejną ważną kwestią są parametry cieplne. Po zalaniu całej płytki żywicą epoksydową, kurczenie się i rozszerzanie powodowane przez zmiany temperatury może doprowadzić do powstania naprężeń w połączeniach lutowanych oraz komponentach. Jeżeli wskutek tych naprężeń powstaną pęknięcia, będą to dla Ciebie złe wieści – naprawa uszkodzonej płytki zalanej żywicą jest naprawdę trudna. Takie firmy, jak Epic Resins i Master Bond oferują materiały o wysokiej przewodności cieplnej i niskiej rozszerzalności, dzięki którym można zapobiec tego typu problemom.

Nie komplikuj sobie życia!

W projektowaniu pod wytwarzanie zabezpieczenie płytki jest tak samo ważne, jak wybór odpowiednich komponentów. W przeciwnym przypadku przydarzy Ci się to samo, co mnie – będziesz musiał brnąć przez bagno o świcie i przeprowadzać pomiary ręcznie, bo Twoja płytka nie zadziała, dopóki nie ogrzeje jej słońce.

Aby zgromadzić w jednym miejscu specyfikacje komponentów, przygotowałem ogromny arkusz kalkulacyjny zawierający dane o zmianach parametrów pracy i odstępów między pinami w zależności od temperatury. To jest okropne. Uaktualnianie tego arkusza jest prawie tak niewygodne, jak wieczorna wyprawa na pełne owadów bagno w celu przyniesienia stamtąd popsutej płytki drukowanej. Gdy tylko ubijesz któregoś z tych irytujących małych krwiopijców, na jego miejsce przylatuje kolejny. Ten problem można łatwo rozwiązać poprzez użycie profesjonalnego oprogramowania do projektowania płytek PCB, takiego jak Altium Designer^®, w którym specyfikacje komponentów mogą być uwzględnione w regułach projektowania systemów wbudowanych. Co więcej, ich dodanie pomoże Ci pamiętać o parametrach komponentów i sprawdzić, czy są one odpowiednie dla danej powłoki lub żywicy epoksydowej. Altium może również sprawdzać odstępy w trzech wymiarach pomiędzy płytką a obudową w trakcie projektowania. Używając tych narzędzi możesz łatwo i skutecznie zaprojektować płytki PCB, unikając niepotrzebnej harówki.

Aby dowiedzieć się więcej o tym, jak może pomóc Ci oprogramowanie do projektowania PCB, skontaktuj się z ekspertem z firmy Altium.

Wypróbuj program Altium w działaniu...

Skuteczne projektowanie płytek PCB