Czy fr4 pcb w stacji pogodowej DIY przetrwa wilgoć bez lakieru?

Coraz więcej osób buduje własne stacje pogodowe. Elektronika działa na zewnątrz, więc mierzy się nie tylko z deszczem, ale i z rosą oraz kondensacją. Pytanie wraca jak bumerang: czy płytka fr4 pcb przeżyje wilgoć bez lakieru?

W tym tekście wyjaśniam, jak FR4 reaguje na wodę, co dzieje się z miedzią i lutem, oraz jakie zabezpieczenia działają bez użycia lakieru. Na koniec znajdziesz proste testy, które pomogą ocenić trwałość projektu.

Czy FR4 jako materiał płytek PCB chłonie wilgoć i w jaki sposób?

Tak. FR4 chłonie małą, ale mierzalną ilość wody, głównie przez żywicę i krawędzie laminatu.

FR4 to kompozyt żywicy epoksydowej i włókna szklanego. Szkło prawie nie chłonie wody, ale żywica już tak. Woda wnika najłatwiej przez odsłonięte krawędzie, otwory i mikropory. Proces przyspiesza przy ciągłej wysokiej wilgotności i cyklach temperatury. Po nasyceniu materiał schnie wolno, co bywa problemem przy serwisie lub ponownym lutowaniu.

Jak właściwości FR4 przekładają się na trwałość stacji pogodowej?

FR4 jest mocny mechanicznie i dość odporny na wilgoć, ale nie jest barierą dla wody. Bez ochrony środowiskowej trwałość w plenerze spada.

W stacji pogodowej ważne są cykle dnia i nocy. Płytka doświadcza kondensacji, zmian temperatury i zanieczyszczeń. To sprzyja powstawaniu mikropęknięć w przelotkach i złączach. Woda obniża izolację powierzchniową i uruchamia korozję metali. Laminaty FR4 o wyższym Tg lepiej znoszą zmiany temperatury i procesy lutowania, ale same z siebie nie rozwiązują problemu wilgoci. O trwałości decyduje komplet: materiał, wykończenie miedzi, maska, obudowa i detale montażu.

Jak wilgoć wpływa na izolację elektryczną płytek PCB?

Wilgoć obniża rezystancję i zwiększa upływność, co może wywołać błędy pomiarów, a nawet zwarcia.

Cienka warstwa wody z solami tworzy przewodzącą ścieżkę po powierzchni. Resztki topnika, kurz i pył wzmacniają ten efekt. Przy stałym napięciu może pojawić się wzrost dendrytów, czyli włosków metalu między ścieżkami. Wnętrze laminatu z czasem także traci część właściwości izolacyjnych. Zapas odstępów, nacięcia zwiększające drogę pełzania, czyszczenie po lutowaniu i pełne pokrycie maską ograniczają ryzyko.

Czy niepokryta miedź na ścieżkach szybciej ulega korozji?

Tak. Odsłonięta miedź w wilgoci utlenia się i koroduje znacznie szybciej.

Warstewka tlenków zwiększa rezystancję i utrudnia lutowanie. W obecności chlorków lub kwaśnych zanieczyszczeń korozja przyspiesza. Gdy miedź styka się z innym metalem i elektrolitem, powstaje ogniwo galwaniczne. Dlatego miedź warto chronić. Dobrze sprawdzają się pokrycia miedzi i pełne krycie maską lutowniczą. Wykończenia nikiel–złoto, cyna na gorąco, srebro zanurzeniowe lub warstwa ochronna OSP ograniczają utlenianie padów. Maska powinna zakrywać ścieżki tak szeroko, jak to możliwe.

Jak wilgoć działa na punkty lutownicze i elementy elektroniczne?

Wilgoć przyspiesza korozję lutu i wyprowadzeń. Z czasem rośnie rezystancja kontaktów i ryzyko przerw.

Na lutach mogą tworzyć się tlenki i naloty. W sprzyjających warunkach pojawia się korozja pełzająca, szczególnie przy zanieczyszczeniach. Złącza i zasilanie są newralgiczne. Woda wypłukuje smary i tworzy mostki przewodzące. Kondensacja wnika do obudów szczelinowych i pod elementy SMD, gdzie pozostaje na długo. Czyszczenie po montażu, dobre wykończenie padów, uszczelnione złącza i unikanie zbędnych odsłoniętych powierzchni znacznie zmniejszają problemy.

Jakie zabezpieczenia zamiast lakieru poprawią odporność na wilgoć?

Pomaga zestaw prostych rozwiązań: lepsze wykończenie miedzi, pełna maska, uszczelnienia złączy i sprytna mechanika.

• Stosuj pełne krycie maską lutowniczą i „zakorkowanie” przelotek, aby ograniczyć kapilarne wnikanie wody.
• Wybierz wykończenie padów, które dobrze opiera się korozji, na przykład nikiel–złoto lub cyna na gorąco. OSP jest opcją krótkoterminową i wymaga czystego montażu.
• Zaprojektuj większe odstępy między ścieżkami w miejscach narażonych na skropliny. Dodaj nacięcia zwiększające drogę pełzania.
• Użyj złączy uszczelnionych i żeli silikonowych punktowo na newralgicznych stykach. Smar dielektryczny na pinach ogranicza wnikanie wilgoci.
• Rozważ częściową zalewę silikonową lub poliuretanową wybranych obszarów. To nie jest lakier, ale forma lokalnej hermetyzacji. Utrudnia jednak serwis.
• Zapewnij odpływ wody i dystans od ścianek obudowy. Unikaj kieszeni, w których woda może stać.

Jeśli projektujesz urządzenie seryjne, rozważ także dobór laminatu FR4 o odpowiednim Tg i parametrach dla cykli termicznych. Dostępne są różne klasy FR4 oraz materiały specjalne dla wymagających środowisk.

Czy uszczelnienie obudowy wystarczy, by chronić stację pogodową?

Nie zawsze. Pełna szczelność bez oddechu często prowadzi do kondensacji wewnątrz.

Zmiany temperatury powodują zasysanie i wypychanie powietrza. Wraz z nim do środka dostaje się para wodna. W chłodzie para skrapla się na PCB. Dlatego warto zastosować membranę oddechową, która przepuszcza powietrze, a blokuje wodę w stanie ciekłym. Pomagają też wkłady pochłaniające wilgoć. Przepusty kablowe powinny mieć dławiki z uszczelką. Dobrze działa układ „daszek i kapinos” na wejściach przewodów. W środku montuj płytę pionowo i z dystansem. Czujniki z natury muszą mieć dostęp do powietrza, więc oddziel ich komorę od reszty elektroniki.

Jak testować i przewidywać żywotność PCB w warunkach wilgotnych?

Wykonaj proste testy środowiskowe i obserwuj zmiany parametrów w czasie.

• Test stałej wilgotności i temperatury, znany jako 85/85, pokazuje upływności i korozję po kilku dniach ekspozycji.
• Cykle rosa–słońce. Schłodź urządzenie, a następnie wystaw na ciepłą, wilgotną atmosferę. Powtórz wiele razy i sprawdź działanie.
• Test bryzgoszczelności i mgły solnej jest przydatny, jeśli urządzenie trafi w okolice morza. W kontrolowanych warunkach ujawnia szybką korozję.
• Pomiary rezystancji izolacji między parami ścieżek w odstępach czasowych pokażą trend degradacji.
• Oględziny mikroskopowe po testach ujawnią dendryty, naloty i pęknięcia. Dokumentuj zdjęcia i miejsca uszkodzeń.
• Próby terenowe z dwiema identycznymi płytkami, ale różnymi zabezpieczeniami, pozwalają szybko porównać rozwiązania.

Wniosek jest prosty. FR4 poradzi sobie z okazjonalną wilgocią, lecz długotrwała ekspozycja bez ochrony kończy się korozją i błędami pracy. Skuteczny projekt łączy rozsądny dobór laminatu, dobre wykończenie miedzi, przemyślane złącza i mądrą obudowę. To podejście działa w amatorskiej stacji i w produkcie seryjnym. Jeśli zależy ci na bezobsługowej pracy, zaplanuj elementy ochrony już na etapie projektu.

Skonsultuj dobór materiału FR4 i zabezpieczeń dla swojej stacji pogodowej i zaplanuj test środowiskowy przed montażem.