空气质量监测 PCB 的环境适应性设计：适配室内外复杂场景
来源：捷配
时间: 2025/09/23 10:03:33
阅读: 104
标签：
空气质量监测 PCB，环境适应性设计
空气质量监测设备的应用场景差异极大 —— 从室内家庭环境（常温、低湿、无腐蚀）到室外露天环境（高低温、雨雪、强紫外线），再到工业车间（高湿、腐蚀性气体、粉尘），不同场景对 PCB 的环境适应性要求截然不同。若忽视场景特性，盲目采用统一 PCB 设计，会导致设备在极端环境下失效，如低温下 LCD 黑屏、高湿下 PCB 短路、腐蚀性气体中铜箔腐蚀。
?
一、室外环境 PCB 设计：应对高低温、雨雪与紫外线?
室外空气质量监测设备（如路边监测站、园区监测仪）需承受 - 30-70℃宽温、5%-95% RH 高湿、雨雪冲刷与紫外线照射，PCB 设计需重点关注 “耐温性、防潮性、抗紫外线老化”：?
1. 耐温设计：保障高低温下性能稳定?
- 基材选择：选用高 Tg FR-4 基材（Tg≥170℃），玻璃化转变温度高于室外高温（70℃），避免高温下基材软化导致 PCB 变形；低温下（-30℃），基材需保持良好韧性，抗折强度≥35N（1.6mm 厚 PCB），避免脆裂；?
- 元件选型：所有元件需选用工业级或车规级，工作温度范围覆盖 - 40-85℃，如 MCU 选 STM32L476（-40-85℃）、电源 IC 选 MP1584（-40-85℃），避免低温下元件参数漂移、高温下失效；?
- ** solder paste 选择 **：采用无铅高温焊锡膏（熔点 217℃），焊接后焊点在 - 30-70℃循环下无开裂，焊点剪切强度≥50N。某室外设备用普通焊锡膏（熔点 183℃），低温 - 30℃时 30% 的焊点开裂；改用高温焊锡膏后，开裂率降至 0.5%。?
2. 防潮防水设计：避免雨雪导致短路?
- PCB 布局：将 MCU、电源 IC 等核心元件布置在 PCB 顶层（远离外壳底部），传感器接口、连接器等易受潮部位布置在 PCB 边缘，下方设计排水孔（直径 1mm），避免雨水积聚；?
- 阻焊层与涂层：选用耐湿热阻焊层（如 PSR-4000 系列），在 85℃/85% RH 环境下，绝缘电阻≥10¹²Ω；PCB 整体涂覆 conformal 涂层（如聚氨酯树脂，厚度 50μm），涂层吸水率≤1%（24 小时浸泡），隔绝雨水与湿气；?
- 连接器防护：传感器与通信模块的连接器选用防水型（IP67 等级），如 MX120 系列防水连接器，插头与插座配合后，防水等级达 IP67，避免雨水渗入 PCB。某室外设备用普通连接器，雨水渗入后 PCB 短路，故障率 20%；改用防水连接器后，故障率降至 0.3%。?
3. 抗紫外线设计：防止老化失效?
- 基材与涂层抗 UV：选用抗紫外线 FR-4 基材（添加 UV 稳定剂），或在 PCB 表面贴覆抗 UV 保护膜（厚度 25μm），避免紫外线照射导致基材发黄、脆化；?
- 元件抗 UV：LCD 显示屏、指示灯等外露元件需选用抗 UV 材质，如 LCD 面板贴 UV 防护膜，指示灯外壳用 PC 材质（抗 UV 等级 UV3），避免长期照射后变色、透光率下降。某设备的 LCD 未做抗 UV 处理，室外使用 6 个月后透光率从 90% 降至 60%；贴防护膜后，6 个月透光率保持 85% 以上。?
二、工业环境 PCB 设计：应对高湿、腐蚀性气体与粉尘?
工业车间（如化工、冶金、涂装车间）的空气质量监测设备，需承受 85% RH 以上高湿、硫化物 / 氮氧化物等腐蚀性气体、大量粉尘，PCB 设计需重点关注 “防腐蚀、防尘、耐高湿”：?
1. 防腐蚀设计：保护铜箔与元件?
- 表面处理：PCB 表面采用沉金处理（金层厚度 0.1-0.3μm，镍层 5-10μm），金的耐腐蚀性优于锡、OSP，在 5% NaCl 溶液盐雾测试中，96 小时无腐蚀（OSP 仅 24 小时）；?
- 元件防护：电化学传感器、电源 IC 等易受腐蚀的元件，需选用密封型封装（如 TO-8 金属外壳封装的传感器），避免腐蚀性气体进入元件内部；?
- PCB 布局：将易受腐蚀的元件（如传感器）布置在设备气流上游，远离腐蚀性气体浓度高的区域；电源电路、通信电路布置在下游，减少腐蚀风险。某化工车间设备，传感器布置在气流下游，3 个月后传感器腐蚀失效；调整至上游后，使用寿命延长至 12 个月。?
2. 防尘设计：避免粉尘堆积导致故障?
- 密封结构：PCB 所在的设备外壳需设计防尘结构（IP65 等级），外壳缝隙用防尘棉（孔径≤10μm）填充，阻止粉尘进入；?
- PCB 防尘涂层：在 PCB 表面涂覆防尘涂层（如聚四氟乙烯，厚度 30μm），涂层表面光滑（Ra≤0.5μm），粉尘不易附着，且易被气流吹落；?
- 散热与防尘平衡：设备散热孔需设计防尘网（孔径 50μm），避免粉尘通过散热孔进入 PCB，同时确保散热效率（防尘网通风率≥80%）。某冶金车间设备，未装防尘网导致 PCB 粉尘堆积，短路故障率 15%；加装防尘网后，故障率降至 1%，散热温度仅上升 2℃。?
3. 耐高湿设计：保障绝缘性能?
- 去潮处理：PCB 生产后需在 120℃烘箱中烘烤 2 小时，去除基材中的水分（含水量≤0.1%）；?
- 绝缘增强：在 PCB 电源线路与接地平面之间增加绝缘阻焊层厚度（≥50μm），提升耐湿绝缘性能；关键焊点（如电源连接器）周围涂覆环氧树脂，增强绝缘，避免高湿下漏电。某高湿车间设备，PCB 绝缘电阻在 95% RH 下降至 10?Ω；涂覆环氧树脂后，绝缘电阻保持 10¹¹Ω 以上。?
三、室内环境 PCB 设计：聚焦低功耗与小型化?
室内空气质量监测设备（如家用甲醛检测仪、办公室 PM2.5 监测仪）工作环境温和（0-40℃、30%-60% RH），无强干扰与腐蚀，PCB 设计需重点关注 “低功耗、小型化、成本控制”：?
1. 低功耗设计：延长电池续航?
- 元件选型：选用低功耗元件，如 MCU 选 STM32L431（休眠电流≤1μA）、传感器选 SHT30（工作电流 800μA，休眠电流 0.1μA）；?
- 电源管理：非监测时段（如每 30 分钟监测 1 次），关闭传感器、LCD、通信模块电源，仅保留 MCU 休眠，待机电流≤10μA；监测时快速唤醒，工作电流≤50mA；?
- 动态调压：根据元件工作状态调整供电电压，如 MCU 休眠时降至 1.8V，工作时升至 3.3V，进一步降低功耗。某家用检测仪未做动态调压，电池续航仅 7 天；优化后，续航延长至 30 天。?
2. 小型化设计：适配桌面摆放?
- PCB 尺寸优化：采用 4 层 PCB（比 2 层 PCB 面积减少 40%），将传感器、MCU、通信模块紧凑布局，PCB 尺寸控制在 50mm×50mm 以内；?
- 元件封装选择：选用超小封装元件，如电阻电容用 0402 封装（0.4mm×0.2mm）、MCU 用 QFN24 封装（4mm×4mm），减少元件占用面积；?
- 布局优化：将相同功能的元件（如电源电路）集中布局，减少线路长度，同时便于散热。某家用设备用 2 层 PCB，尺寸 70mm×70mm；改用 4 层 PCB 后，尺寸缩小至 45mm×45mm，适配桌面小型化需求。?
空气质量监测 PCB 的环境适应性设计需 “场景定制”，针对室外、工业、室内的不同环境特性，从基材、元件、布局、防护等方面优化，才能确保设备在目标场景下长期稳定运行。
上一篇：空气质量监测 PCB 的抗干扰设计
下一篇：高多层PCB叠层-高密度电路骨架
微信公众号
微信小程序
抖音视频号
浙公网安备 33010502006866号