在上篇中，我較多地談到了PCB在惡劣和極端環境中所面臨的挑戰和風險。這一次，我想更深入地探討有關極端環境下PCB設計的關鍵點。

當我想到極端環境中特有的一些挑戰后，我再次驚嘆于強大的現代科技。海拔、振動、沖擊和高溫的負面影響，不斷困擾著我們每天所依賴的電子設備，但人們仍然能夠突破重圍，將可靠的電子系統部署在這些嚴峻的環境中，并且確保它們能夠順利運行。

海拔變化 - 對PCB有何影響？

PCB設計工程師必須要解決的一個挑戰是 - 空氣密度隨海拔變化而產生的影響。眾所周知，大氣的密度隨海拔增加而下降。在相同的電壓下，如果空氣密度降低，電場強度將增加，這就意味著在較高海拔下，電路中的氣體或絕緣材料可能更容易被擊穿，因此需要降低最高工作電壓來維持相同的絕緣特性。

那么，如何減緩這一現象呢？首先，參考IPC-2221第6節設計規范部分，有不少關于如何設計電氣間隙的內容。其次，另一種防止電弧產生的方法，是在設計中使用圓角。具體來說，就是在鋪銅區、焊盤以及線路彎折處等避免使用90°的內外角設計。同時，工程師也需要考慮連接引腳，由于電路板的各區域可能關聯不同的電壓水平，因此在這些地方可能存在更大的電弧風險。有時候，連接器上會有未使用的引腳，如果間隔使用引腳，就可以獲得更大的電氣間隙。

持續振動和猛烈沖擊 - 對PCB有何影響？

猛烈沖擊是指PCB在短時間內承受高幅度位移的情況，而持續振動則指PCB在較長時間內持續進行低幅度位移。外力使得PCB圍繞質心擺動，反過來會對PCB材料及連接點產生壓力。材料在PP與銅層間粘合處受到應力，孔銅可能會出現斷裂。我們可以通過很多細節來減輕振動和沖擊，關鍵是找到在保持機械穩定性的同時要增加到系統中的最小質量。以下是一些振動和沖擊環境中的PCB設計注意事項：

針對振動和沖擊的PCB設計

更多的安裝孔。更多的安裝孔意味著更多的固定點和更高的穩定性，這也將允許在系統中安裝更多的減振裝置。

疊層設計。在課程中，我們會研究一些有趣的課題，比如為衛星應用設計電路板和疊層。對于將受到極端沖擊或振動情況的PCB，確保PP有足夠的樹脂量來承受這些情況，是非常重要的。PP負責將各層粘合在一起，在承受振動或沖擊時，PCB可能會彎曲，進而在連接點產生應力。為了盡量減輕應力，我們應該考慮使用樹脂含量超過50%的PP。此外，使用兩張以上的PP是增加粘連強度的另一種方式，但這種方式適用性不高，因為要兼顧信號完整性要求。如果不要求信號完整性，該怎么辦？如果3張PP粘連更牢靠，那么4張PP會更好，對嗎？有可能。但同時，我們需要考慮過多的PP將不利于層間對位。除非您的PCB供應商有確切的寶我，否則我更建議最多使用3張PP。如果需要更厚的銅厚，但不能增加更多的PP，可以考慮在層壓結構中使用無銅芯板。與PP不同，無銅芯板已經固化，因此不會在壓合過程中增加任何樹脂。因此，不會犧牲層間的對準精度。

內部連接點。隨著PCB的振動，導通孔也在振動，這對于孔內鍍銅層來說，是一種考驗。當孔內電鍍層受到應力時，會有開裂的風險，隨時更換或維修都是不現實的。通過更厚的孔內電鍍來提升PCB的可靠性，是一種途徑，但不適用于所有情況。

PCB和散熱管理

散熱管理是我想強調的最后一個挑戰。散熱管理的基本目標是確保所有電路元件，特別是IC芯片，保持在各自的功能及最大的容許范圍內。

電子產品內產生的熱量是通過三種基本傳熱方式（傳導、輻射和對流）進行消散的。材料的導熱能力與其導熱系數、橫截面積及溫差相關。而輻射，則主要通過紅外波長的電磁輻射傳熱。在真空環境下，例如太空，輻射是物體唯一的傳熱方式。

對于極端環境中的PCB，被動冷卻的方式，如對流，是一種可取的解決方案。常規環境中的PCB可以連接到底盤上進行散熱，或通過其它設備冷卻。在極端環境中運行的PCB卻不是總能支持類似的散熱方案，所以我們可以將PCB設計為主動散熱。

增加散熱的簡單方法，是直接增加PCB的銅厚。更厚的銅，能更好地導熱。需要注意的是，確保PCB規格中的電氣間隙足以支持使用更厚的銅來散熱。

如果簡單地增加銅厚不能滿足散熱，可以選擇在PCB中埋入銅塊。簡而言之，就是在PCB中構建一個簡單的散熱器，位于零部件的正下方，與發熱元件直接接觸，某些情況下，甚至可以與元件進行電氣連接。這種方式的優點，是能夠更高效地進行熱量傳導，但對PCB制造商來說是種挑戰。每進行一次埋銅處理，就會產生一個薄弱點，薄弱點過多會導致翹曲和意想不到的后果，請設想一下，一個使用了大量埋銅技術的PCB處于極端的振動或沖擊環境，會發生什么？

與其在設計PCB時過多地使用埋銅，不如考慮采用金屬芯板結構。金屬芯板可以壓合到疊層中，來提供最佳散熱能力。在布局時，應仔細考慮介質厚度，我們建議在元件層和金屬芯板中間盡量使用薄的電介質，這是因為較薄的介電材料的熱阻更小。這個建議與我之前提出的設計疊層以抵御沖擊和振動情況的建議相悖了，但隨著PCB越來越復雜，我們必須考慮到其中的聯動關系。

極端環境會帶來很多未知的挑戰，我們為了減輕極端環境對PCB造成的影響，盡力去優化其設計和制造流程，但也必須意識到，徹底全面規避掉所有風險是很困難的，只能盡量平衡各方，幫助制造更可靠耐用的PCB。

而關于如何最大程度減少風險，我能提供的最佳建議是在項目早期就尋求專業的PCB供應商進行技術合作。不同于客戶更了解產品，PCB供應商更了解的是產品的PCB設計如何順利制造，了解PCB設計的關鍵因素和產線的制程能力，并且具有豐富的經驗，能夠以具有成本效益和最可持續的方式為您提供PCB相關服務。

如果您對上文中提到的埋銅PCB有興趣，我們為您創建了一份常規的埋銅PCB設計指南，幫助您了解關于埋銅設計的更多信息.

審核編輯 黃宇