Welche Art von PCB-Material sollte ich wählen, um bei -40 Grad Celsius zu arbeiten?

14

Ich muss eine Leiterplattenschaltung entwerfen, um bei (oder sogar unter) -40 Grad Celsius zu arbeiten. Normalerweise verwende ich die FR-4-Leiterplatte bei Raumtemperatur. Ich habe jedoch aus der Frage " Was ist die Mindesttemperatur für FR-4-Leiterplatten? " Erfahren, dass FR-4-Leiterplatten Probleme unter -30 Grad Celsius haben können.

Welche Art von PCB-Material kann mit so niedrigen Temperaturen umgehen?

pcb temperature billyzhao
quelle
1
-40 ° C bis 85 ° C ist ein extrem häufiger Temperaturbereich (im Allgemeinen als "industriell" bezeichnet, aber verschiedene mfcs haben unterschiedliche Grenzen) für Komponenten und insbesondere Module (da wir hier über PCBs besorgt sind). Bei früheren Firmen, bei denen ich gearbeitet habe (die hauptsächlich Module vom Typ Automotive herstellten), verwendeten alle den Standard FR-4.
Nick T

Antworten:

13

Ich habe FR4 bei 4K verwendet und andere haben es bei viel niedrigeren Temperaturen verwendet.

Die physikalischen Eigenschaften gehen bei niedrigen Temperaturen etwas bergab, aber ein Versagen der Platine wie eine Delaminierung tritt normalerweise nicht auf, wenn sie nur kalten Temperaturen ausgesetzt wird. Die Charpy-Tests, auf die in Ihrer verknüpften Antwort verwiesen wird, sind ein Maß für die Stärke eines gekerbten Prüflings gegenüber einem Schock (fügen Sie eine Spannungserhöhung hinzu, und schlagen Sie sie dann im Grunde mit einem Hammer auf). Wenn Sie sich in einer schwierigen mechanischen Umgebung befinden, müssen Sie möglicherweise die geringere Schlagfestigkeit berücksichtigen und eine dickere Platte verwenden oder diese besser abstützen.

Das Versagen der Lötstelle aufgrund von Unterschieden im Wärmeausdehnungskoeffizienten kann ein Faktor sein, insbesondere bei bleifreiem Lot und Dingen wie großen BGA-Gehäusen.

-40 ° C ist in einigen Teilen der Welt nur ein flotter Tag, und -55 ° C ist das untere Ende des militärischen Temperaturbereichs, beide Grenzwerte liegen im normalen Bereich von Epoxidglasplatten, und es gibt viele vernünftige Komponenten mit garantierten Spezifikationen bei diesen Temperaturen (insbesondere -40 ° C) sind verfügbar.

Spehro Pefhany
quelle
Vielen Dank! 4K bedeutet -269 Grad Celsius? Und es funktioniert auch gut, wenn man es lange Zeit so niedrigen Temperaturen aussetzt?
Billyzhao
5
@ Billyzhao Ja, das ist richtig. Natürlich schlagen wir es nicht mit einem Hammer in den Kryostaten.
Spehro Pefhany,
2
Wie geht man "viel tiefer" als 4K?
Crocboy
7
@crocboy Du kannst natürlich nur <4 Grad tiefer gehen, aber einige Dinge ändern sich erheblich durch einstellige Kelvin. Der Widerstand von Kupfer verringert sich auf RRR, die Wärmekapazität sinkt stark usw. Es ist auch sehr viel schwieriger, Millikelvin zu erreichen als 4,2K.
Spehro Pefhany,
1
Ich habe vergessen, es vorher zu erwähnen, aber: Bei diesen Temperaturen wird Zinnschädling wahrscheinlich ein Problem sein. Sie spielen auf Probleme mit bleifreiem Lot an, dies ist jedoch ein weitaus schwerwiegenderes Problem als die Nichtübereinstimmung der Wärmeausdehnung. Bei einer kurzen Einsatzdauer bei kalten Temperaturen wird sich wahrscheinlich nie ein Zinnschädling entwickeln, aber bei einer konstanten Temperatur von -40 ° C ist dies mit Sicherheit der Fall.
Oleksandr R.
3

Sie können ein Keramiksubstrat verwenden: siehe zB hier . Natürlich wird es teuer und erfordert möglicherweise Spezialwerkzeug, und ich sollte sagen, dass ich keine persönlichen Erfahrungen damit habe. Dies ist jedoch die übliche Lösung für Schaltkreise, die bei extremen Temperaturen betrieben werden müssen.

Wenn die Anwendung dies nicht unbedingt ausschließt, können Sie auch ein beheiztes Gehäuse verwenden. Dies ist kostengünstiger und ermöglicht die Verwendung herkömmlicher Materialien und Techniken.

Oleksandr R.
quelle
1

Meine Lösung wäre, die FR-4-Leiterplatte in einem isolierten hermetischen Gehäuse mit einem Isolationsgradienten von mindestens 20 ° C einzuschließen . Wenn mehr Temperaturregelung erforderlich ist, würde ich ein bidirektionales Heiz- / Kühlgerät hinzufügen. Auf diese Weise kann die Temperatur außerhalb des Gehäuses extremer sein und hat dennoch keinen Einfluss auf die Temperatur innerhalb des Gehäuses. Dieses Verfahren vermeidet auch große lokale PCB- Temperaturgradienten.

Guill
quelle