對于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。這里說的“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。隨著航空航天(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,并針對該指標提出了特別要求。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)傳感器的性能下降。因此,促使美國宇航局(NASA)制定了嚴格的程序,在材料應用于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序SP-R-0022A被用來測試線路板層壓板等復合材料。著名的材料標準組織“ASTM International”已發布若干相關標準(例如ASTM E595-07)來測量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性能上的變化。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天應用的首選材料。按照ASTM E595-07標準進行測試,該標準概述了一種測試方法,用于評估在+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的目標數量小于1%,CVCM的目標數量小于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平下進行,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測試的真空度應小于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。
根據測試標準,在經過24小時的真空/高溫測試后,應在+23°C和50%的相對濕度下再次對樣品進行稱重,以最大程度地減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,并且必須在打開玻璃瓶后2分鐘內進行稱重,以最大程度減少暴露于不受控制的濕度環境中水蒸氣的吸收損失。在對TML和CVCM進行測量之后,可以對回收的水蒸氣(WVR)進行附加測試。試驗可以在材料處于“原始”狀態或經過固化后的狀態進行測試。
低水平的“除氣率”通常與高質量的材料以及良好控制的制造工藝有關。例如,羅杰斯公司(Rogers Corporation)的多種線路板材料已經按照美國宇航局的測試程序SP-R-0022A對TML、CVCM和WVR進行了測試,并證明這些系列材料非常適合航天器應用。這些材料包括基于PTFE樹脂和無機填料(如玻璃或陶瓷填料等)的RT /duroid®復合材料,以及TMM®系列溫度穩定的碳氫類復合材料。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,并在+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。將每個機箱的出口端口加熱到+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。
對于這些測試,在所有情況下,RT/duroid和TMM線路板材料的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%,對于RT/duroid 5880這款層壓材料,采用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層壓板的TML和CVCM值分別為0.02%和0.01%,該層壓板也基于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。
對于所有被測的RT/duroid和TMM材料,TML值遠低于0.1%,CVCM值等于或接近于零。TMM層壓板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層壓板的相對介電常數為3.27,TML為0.04%,CVCM為0.00%。具有較高的9.20介電常數的TMM 10層壓板,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,設計用于粘合多個基于PTFE的電路板以形成多層電路。盡管如此,它的TML測試值也僅為0.13%,遠低于美國宇航局1.0%的上限,而CVCM僅為0.01%,相當于美國宇航局建議的最大值的十分之一。
雖然材料除氣并不是所有電路設計工程師都關心的實質性問題,但是材料除氣對于那些從事人造衛星和其它航天電子產品的人來說,并不是一件容易的事。對于線路板材料,最謹慎的辦法還是盡可能選擇TML,CVCM和WVR值最低的材料。