Que tipo de material de PCB devo escolher para trabalhar a -40 graus centígrados?

Preciso projetar um circuito PCB para trabalhar em (ou mesmo abaixo) -40 graus centígrados. Normalmente, uso a placa FR-4 PCB à temperatura ambiente. No entanto, aprendi com a pergunta " Qual é a temperatura mínima para PCBs FR-4? " Que os PCBs FR-4 podem ter problemas abaixo de -30 graus centígrados.

Então, que tipo de material PCB suporta uma temperatura tão baixa?

pcb temperature

— billyzhao
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-40 ° C a 85 ° C é uma faixa de temperatura extremamente comum (geralmente chamada de "industrial", mas diferentes mfcs têm limites diferentes) para componentes e particularmente módulos (como estamos preocupados com PCBs aqui). Em empresas anteriores em que trabalhei (que fabricavam principalmente módulos do tipo automotivo), todos usavam o padrão FR-4.

— Nick T

Respostas:

Eu usei o FR4 em 4K e outros o usaram em temperaturas muito mais baixas.

As características físicas descem um pouco em baixas temperaturas, mas falhas na placa, como a delaminação, normalmente não ocorrem por mera exposição a baixas temperaturas. Os testes Charpy referidos na sua resposta vinculada são uma medida da força de uma amostra entalhada para chocar (adicione um dispositivo para aumentar o estresse e depois bata com um martelo, basicamente). Se você estiver em um ambiente mecânico severo, talvez seja necessário considerar a menor resistência ao impacto e usar uma placa mais grossa ou suportá-la melhor.

A falha na junta de solda devido a diferenças no coeficiente de expansão térmica pode ser um fator, especialmente com solda sem chumbo e coisas como grandes pacotes BGA.

-40 ° C é apenas um dia agradável em algumas partes do mundo e -55 ° C é a extremidade mais baixa da faixa de temperatura militar, ambos os limites estão dentro da faixa normal das placas de vidro epóxi e há bastante componentes disponíveis com preços garantidos e especificações nessas temperaturas (especialmente -40).

— Spehro Pefhany
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Obrigado! 4K significa -269 graus centígrados? E funciona bem, mesmo exposto a essa temperatura baixa por um longo tempo?

— billyzhao

@billyzhao Sim, está certo. É claro que não estamos batendo com um martelo dentro do criostato.

— Spehro Pefhany

Como se vai "muito mais baixo" que 4K?

— crocboy

@crocboy Você pode apenas descer <4 graus mais baixo, obviamente, mas algumas coisas mudam significativamente através de um dígito Kelvin. A resistividade dos níveis de cobre ao RRR, a capacidade de calor cai vertiginosamente etc. É também muito, muito mais difícil chegar aos millikelvins do que 4,2K.

— Spehro Pefhany

Eu esqueci de mencioná-lo antes, mas: nessas temperaturas, a praga de estanho provavelmente será um problema. Você alude a problemas com solda sem chumbo, mas esse é um problema muito mais sério do que a incompatibilidade de expansão térmica. Por um curto período de serviço a baixas temperaturas, provavelmente a praga de estanho nunca se desenvolverá, mas se estiver constantemente a -40 ° C, certamente ocorrerá.

— precisa

Você pode usar um substrato cerâmico: veja, por exemplo, aqui . É claro que será caro e poderá exigir ferramentas especiais, e devo dizer que não tenho experiência pessoal com elas. Mas é a solução usual para circuitos que devem operar em temperaturas extremas.

Se isso não for totalmente descartado pelo aplicativo, você também pode considerar o uso de um gabinete aquecido. Isso custará menos e permitirá que você use materiais e técnicas convencionais.

— Oleksandr R.
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Minha solução seria colocar o PCB FR-4 em um gabinete hermético isolado, com um gradiente de isolamento de pelo menos 20 graus C. Se for necessário mais controle de temperatura, eu adicionaria um dispositivo bidirecional de aquecimento / resfriamento. Dessa forma, a temperatura fora do gabinete pode ser mais extrema e ainda não afeta a temperatura dentro do gabinete. Este método também evita grandes gradientes de temperatura da PCB local .

— Guill
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