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什么是材料的除气?什么时候必须要考虑它?

时间:2021-08-03 阅读:
对于任何准备在高真空环境中使用的电子设备来说,材料中的气体释放是一个值得研究的问题。这里说的“除气”是指:释放固体材料(如高频电路板材料)内部残留的气体。随着航空航天(天基领域)、5G应用、医疗系统等行业的迅猛发展,越来越多的领域开始重视材料的除气特性,并针对该指标提出了特别要求。在天基设备中,材料中释放出的气体会凝结在相机镜头等设备上,使它们无法工作。医院和医疗机构也必须排除可能释气的材料,以确保无菌环境

对于任何准备在高真空环境中使用的电子设备来说,材料中的气体释放是一个值得研究的问题。这里说的“除气”是指:释放固体材料(如高频电路板材料)内部残留的气体。随着航空航天(天基领域)、5G应用、医疗系统等行业的迅猛发展,越来越多的领域开始重视材料的除气特性,并针对该指标提出了特别要求。在天基设备中,材料中释放出的气体会凝结在相机镜头等设备上,使它们无法工作。医院和医疗机构也必须排除可能释气的材料,以确保无菌环境。

在外太空的真空环境下,材料的除气(也被称为“放气”)会导致空间探测器中“电荷耦合器件”(CCD)传感器的性能下降。因此,促使美国宇航局(NASA)制定了严格的程序,在材料应用于真空之前对其进行除气方面的评估。例如,美国宇航局的测试程序SP-R-0022A被用来测试线路板层压板等复合材料。著名的材料标准组织“ASTM International”已发布若干相关标准(例如ASTM E595-07)来测量材料的某些关键参数,例如:总质量损失(TML)、收集的挥发性可冷凝材料(CVCM),以便评估在真空环境中不同材料因除气而产生的各种性能上的变化。美国宇航局(NASA)的戈达德太空飞行中心(GSFC) 长期以来支持一项政策,即选择最低“除气率”的材料作为航天器和航天应用的首选材料。按照ASTM E595-07标准进行测试,该标准概述了一种测试方法,用于评估在+125°C的真空条件下24小时内试件的质量变化。NASA可接受的TML的目标数量小于1%,CVCM的目标数量小于0.1%。

这些测试中使用“真空”一词有些主观。根据标准,测试不一定在绝对真空的水平下进行,真空度的典型值通常为10-12 Pa(10-14 Torr)。实际上,ASTM使用的标准仅规定在+125°C下进行24小时的TML和CVCM测试的真空度应小于7 x 10-3 Pa (5 x 10-5 Torr)。测试通常会选择比典型工作温度至少高出+30°C的高温,以便加速实现材料的使用寿命。

根据测试标准,在经过24小时的真空/高温测试后,应在+23°C和50%的相对湿度下再次对样品进行称重,以最大程度地减少水蒸气对测量精度的影响。在24小时加热期间,将标本放置在玻璃器皿中,并且必须在打开玻璃瓶后2分钟内进行称重,以最大程度减少暴露于不受控制的湿度环境中水蒸气的吸收损失。在对TML和​​CVCM进行测量之后,可以对回收的水蒸气(WVR)进行附加测试。试验可以在材料处于“原始”状态或经过固化后的状态进行测试。

低水平的“除气率”通常与高质量的材料以及良好控制的制造工艺有关。例如,罗杰斯公司(Rogers Corporation)的多种线路板材料已经按照美国宇航局的测试程序SP-R-0022A对TML、CVCM和WVR进行了测试,并证明这些系列材料非常适合航天器应用。这些材料包括基于PTFE树脂和无机填料(如玻璃或陶瓷填料等)的RT/duroid®复合材料,以及TMM®系列温度稳定的碳氢类复合材料。按照SP-R-0022A规定方法测试之前,先将样品蚀刻成无铜箔状态,并在+125℃的真空下加热24小时。样品大小为100至300 毫克,放置在铜制外壳中。将每个机箱的出口端口加热到+125°C,同时将镀铬的集电极保持在+25°C,与出口之间的距离保持在12.7 mm。

对于这些测试,在所有情况下,RT/duroid和TMM线路板材料的TML和CVCM的测试数据都令人印象深刻,NASA的最大推荐值分别为1.0%和0.1%,对于RT/duroid5880这款层压材料,采用PTFE树脂,玻璃纤维填料,相对介电常数为2.20,其TML和CVCM值分别为0.03%和0.00%。RT/duroid 6002层压板的TML和CVCM值分别为0.02%和0.01%,该层压板也基于PTFE树脂体系,但玻璃微纤维和陶瓷填料的浓度较低,相对介电常数为2.94。

对于所有被测的RT/duroid和TMM材料,TML值远低于0.1%,CVCM值等于或接近于零。TMM层压板是高度交联的热固性碳氢化合物材料,具有TML和CVCM值较低的特点。TMM 3层压板的相对介电常数为3.27,TML为0.04%,CVCM为0.00%。具有较高的9.20介电常数的TMM 10层压板,在保持0.00%的CVCM的前提下,TML的值为0.06%。在所有被测试的材料中,TML的最大值是3001半固化片,这是一种相对介电常数为2.28的热塑性氯氟共聚物,设计用于粘合多个基于PTFE的电路板以形成多层电路。尽管如此,它的TML测试值也仅为0.13%,远低于美国宇航局1.0%的上限,而CVCM仅为0.01%,相当于美国宇航局建议的最大值的十分之一。

虽然材料除气并不是所有电路设计工程师都关心的实质性问题,但是材料除气对于那些从事人造卫星和其它航天电子产品的人来说,并不是一件容易的事。对于线路板材料,最谨慎的办法还是尽可能选择TML,CVCM和WVR值最低的材料。

责编:Johnson Zhang

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