PCB資訊 - PCB材料的除氣及除氣考量

對於任何準備在高真空環境中使用的電子設備來說，材料中的氣體釋放是一個值得研究的問題。 這裡說的除氣是指：釋放固體材料（如高頻電路板材料）內部殘留的氣體。 隨著航空航太（天基領域）、5G應用、醫療系統等行業的迅猛發展，越來越多的領域開始重視材料的除氣特性，並針對該名額提出了特別要求。 在天基設備中，材料中釋放出的氣體會凝結在相機鏡頭等設備上，使它們無法工作。 醫院和醫療機構也必須排除可能釋氣的材料，以確保無菌環境。

在絕對空真空條件下，材料的除氣（也被稱為放氣）會導致空間探測器中電荷耦合器件（CCD）感測器的效能下降。 囙此，促使美國宇航局（NASA）製定了嚴格的程式，在材料應用於真空之前對其進行除氣方面的評估。 例如，美國宇航局的測試程式SP-R-0022A被用來測試電路板電路板材料等複合材料。 著名的材料標準組織ASTM International已發佈若干相關標準（例如ASTM E595-07）來量測材料的某些關鍵參數，例如：總質量損失（TML）、收集的揮發性可冷凝材料（CVCM），以便評估在真空環境中不同材料因除氣而產生的各種效能上的變化。 美國宇航局（NASA）的戈達德太空飛行中心（GSFC）長期以來支持一項政策，即選擇最低除氣率的材料作為航天器和航太應用的首選材料。 按照ASTM E595-07標準進行測試，該標準概述了一種測試方法，用於評估在+125°C的真空條件下24小時內試件的質量變化。 NASA可接受的TML的目標數量小於1%，CVCM的目標數量小於0.1%。

這些測試中使用真空一詞有些主觀。 根據標準，測試不一定在絕對真空的水准下進行，真空度的典型值通常為10-12 Pa（10-14 Torr）。 實際上，ASTM使用的標準僅規定在+125°C下進行24小時的TML和CVCM測試的真空度應小於7 x 10-3 Pa（5 x 10-5 Torr）。 測試通常會選擇比典型工作溫度至少高出+30°C的高溫，以便加速實現材料的使用壽命。

高頻電路板

根據測試標準，在經過24小時的真空/高溫測試後，應在+23°C和50%的相對濕度下再次對樣品進行稱重，以最大程度地减少水蒸氣對測量精度的影響。 在24小時加熱期間，將標本放置在玻璃器皿中，並且必須在打開玻璃瓶後2分鐘內進行稱重，以最大程度减少暴露於不受控制的濕度環境中水蒸氣的吸收損失。 在對TML和CVCM進行量測之後，可以對回收的水蒸氣（WVR）進行附加測試。 試驗可以在材料處於原始狀態或經過固化後的狀態進行測試。

低水準的除氣率通常與高品質的材料以及良好控制的制造技術有關。 例如，羅傑斯公司（ROGERS Corporation）的多種電路板材料已經按照美國宇航局的測試程式SP-R-0022A對TML、CVCM和WVR進行了測試，並證明這些系列材料非常適合航天器應用。 這些材料包括基於PTFE樹脂和無機填料（如玻璃或陶瓷填料等）的RT /duroid ® 複合材料，以及TMM ® 系列溫度穩定的碳氫類複合材料。 按照SP-R-0022A規定方法測試之前，先將樣品蝕刻成無銅箔狀態，並在+125℃的真空下加熱24小時。 樣品大小為100至300毫克，放置在銅制外殼中。 將每個主機殼的出口埠加熱到+125°C，同時將鍍鉻的集電極保持在+25°C，與出口之間的距離保持在12.7 mm。

對於這些測試，在所有情况下，RT/duroid和TMM電路板材料的TML和CVCM的測試數據都令人印象深刻，NASA的最大推薦值分別為1.0%和0.1%，對於RT/duroid 5880這款層壓材料，採用PTFE樹脂，玻璃纖維填料，相對介電常數為2.20，其TML和CVCM值分別為0.03%和0.00%。 RT/duroid6002電路板材料的TML和CVCM值分別為0.02%和0.01%，該電路板材料也基於PTFE樹脂體系，但玻璃微纖維和陶瓷填料的濃度較低，相對介電常數為2.94。

對於所有被測的RT/duroid和TMM材料，TML值遠低於0.1%，CVCM值等於或接近於零。 TMM電路板材料是高度交聯的熱固性碳氫化合物材料，具有TML和CVCM值較低的特點。 TMM 3電路板材料的相對介電常數為3.27，TML為0.04%，CVCM為0.00%。 具有較高的9.20介電常數的TMM 10電路板材料，在保持0.00%的CVCM的前提下，TML的值為0.06%。 在所有被測試的材料中，TML的最大值是3001半固化片，這是一種相對介電常數為2.28的熱塑性氯氟共聚物，設計用於粘合多個基於PTFE的電路板以形成多層電路。 儘管如此，它的TML測試值也僅為0.13%，遠低於美國宇航局1.0%的上限，而CVCM僅為0.01%，相當於美國宇航局建議的最大值的十分之一。

雖然電路板材料除氣並不是所有電路設計工程師都關心的實質性問題，但是材料除氣對於那些從事人造衛星和其它航太電子產品的人來說，並不是一件容易的事。 對於電路板材料，最謹慎的辦法還是盡可能選擇TML，CVCM和WVR值最低的材料。