Uydu ve Uzay Uygulamaları için Stringent Reliability Gereksinimler ile Tasarım

Uzay ve Uzay Operasyonel Çevreyi Anlamak

Uydu ve uzay platformları için kadere mahkum edilen kuraklar, standart ticari elektronikleri derhal yok edecek koşullar altında çalışmalıdır. Dünya atmosferinin ötesindeki çevre ve hatta yüksek çözünürlükte uçuş rejimleri nadiren karasal uygulamalarda karşılaşan streslerin bir kombinasyonunu sunar.

Düşük Dünya yörüngesinde (LEO), uydular günde yaklaşık 16 güneş batağı ve gün batıkları deneyimliyor, doğrudan güneş maruziyeti ve Dünya'nın soğuk gölgesi arasında bisikletler +125°C'den -150°C'ye kadar hızlanıyor, kozmik radyasyon ve şiddetli titreşimler, temel düzeydeki bu koşullar altında bu koşullardan çok yüksek çözünürlükte olan potansiyel düzlemler ve ticari uçaklar gibi yüksek çözünürlükte herhangi bir önbellekleme alanı yok ediyor.

Uzay ve Uydu PCB Tasarımlarında Anahtar Zorluklar

Radyasyon Etkileri ve Davaları

Uzaydaki radyasyonu birden fazla kaynaktan geliyor: Van Allen kemerlerinde, güneş parçacık olayları ve galaktik kozmik ışınları. Bu parçacıklar hem de toplayıcı hasarlara (toplama veya TID) ve anlık rahatsızlıklar (örneğin, transistörlerin eşiği olan) TID değişimi, degrads yalıtım direncine neden oluyor ve sonunda fonksiyonel başarısızlıklara neden oluyor.

Mühendisler bu etkileri birkaç yaklaşımla savaşırlar. Radyasyonun (rad-hard) bileşenleri, silikon-on-insulator (SOI) veya silikon-germanium (SiGe) BiCMOS, TID'ye karşı, ticari olmayan parçalar için, tantalum veya alüminyum ile kalkanlar bu yaklaşımı sınırlandırırsa da, bu hataları tespit eder ve düzeltme (EDAC) ve düzeltme (EDAC) kodları, TID-modular kırmızı-parçacık temaslar ve üç-modular için.

Extreme Heat Management

Uzaydaki ısı yönetimi temel olarak kara soğutmadan farklıdır. Hava yoluyla konveksiyon veya iletim olmadan, ısı tamamen PCB substratı ve bileşenleri uzay aracına ile devre dışı bırakılmalıdır, sonra uzaya yayılır. Geniş sıcaklık hızları her satıcı eklemde genişleme ve sözleşme stresi yaratır, ve malzeme arayüzü ile.

Etkili termal stratejiler, yüksek güç modülleri için metal-core PCB'leri kullanarak, sabit bakır uçaklarını (2 oz to 6 oz veya daha fazla) yığınlama ve ısı analizleri için ısı arabirimleri (TIMs) standart uygulama alanları için standart uygulama alanları için uygun şekilde seçilmelidir.

Mekanik Robustness Under Lans and Operation

Tanıtım aşaması, PCB'leri aşırı titreşime, akustik gürültüye ve yüksek hıza doğru - 20 g RMS'yi aşamadan fazla hızlandıran Pyrotechnic şoku ve adil jettison, seramik kapasitörlere veya kırıklara sahip olan yüksek frekanslı dürtüler yaratır.

Mekanik sağlamlığı için tasarım yapmak kalın PCB substratları (2.0 mm'ye 3.2 mm veya daha fazla) ve kontrol edilen yığılma simetrisi, paryle veya silikon gibi malzemelerle birlikte, hem çevresel koruma hem de mekanik degerekleme sağlar. Sleme yapıştırıcıları, transformatörler ve büyük kapasitörler gibi güvenli ağır bileşenler analizi FEA’yı tanımlar ve resonant frekansları kullanarak analiz eder ve aynı zamanda ayarlanmış kitle deseçmiş gibi teknikleri deşifre eder.

Vakum ve Outgassing

Uzayın vakumu eşsiz başarısızlık modları yaratıyor. Outgassing – malzemeden sıkışık uçucuların serbest bırakılması – optik yüzeylerde, güneş panelleri ve termal radyatörler, yüksek performanslı malzemelerle karşılaşılması ve koronerlerin yüksek basınç rejimlerinde 200 V ile karşılaştırılması gerekir (toplam kütle kaybı TML < 1.0% 10 ve uçucu malzemelerle birlikte uçucu malzemelerle birlikte).

Vakum uyumluluk için malzeme seçimi, satılan maske, yapıştırıcılar, metalik bileşikler ve kablo yalıtımı dahil olmak üzere laminatların ötesine geçer. Vented tasarımları, kapsa veya tamir etmekten ziyade kapalı gazların kaçmasına izin verir.

Kombinasyon ve Obsoles

Uydu programları, görevin sonuna kadar tasarımdan 10 ila 20 yıl sürebilir, uzun vadeli erişilebilirlik ile donatılmış ve özellikle de rad-hard veya QML (Qualified Manufacturing List) parçaları için sınırlı üretim işleriyle ilgili planlanmalıdır. Tasarım takımları son kez satın alma, yeterlilik verileri için planlanmalıdır ve genellikle uzun vadeli erişilebilirlikli bileşenleri seçmek ve proaktif bir obsoles yönetimi planı için kritik bir program faaliyetleri sürdürmektir.

Aşırı Güvenilirlik için malzeme seçimi

Altstrate Malzemeler

Standart FR-4, yüksek ısı genişleme katsayısı (CTE) nedeniyle en fazla havacılık ve uydu PCB'leri için uygun değildir (Tg ~130°C), ve z-aksiyon genişleme ve CAF (kondüktif anodik filament) büyüme için uygunsuzluk.

Bakır makineleri ve Plating

Rolled eklenmiş (RA) bakır folyo, sert tahtalar için tercih edilir (ED) yüksek akımlar ve ısıyı gerektiren uygulamalar için yüksek çözünürlükte tekrarlanan termal bisiklete sahip. RA bakırın IPC-6012 Sınıfı 3 gerekliliklerine sahip olması gerekir, genellikle 25 μm (0.001 inç) minimum yerde 20 μm.

Solder Maske ve Conformal Kaplamalar

Standart sıvı fotogörünebilir satılabilir maskeler genellikle aşırı derecede ve ısı stresi altında çatlakları aşırı dereceden çıkarır. Yüksek kullanılabilirlik sistemleri poliimide bazlı satılan maskeler veya çevresel koruma için uygun kaplamalara güvenir.

Misyon-Critical Reliability için Gelişmiş Tasarım Stratejileri

Reddans ve Fault Tolerance Architecture

Tek nokta hataları uydu sistemlerinde kabul edilemezdir. Tasarımcılar birden fazla seviyede kırmızı tutarlar: kırmızı güç otobüsleri, iki parçalı iletişim arayüzleri (örneğin, MIL-STD-1553 veya SpaceWire, kırmızı kanallarla) ve üç-modular kırmızıdanlık (TMR) kritik mantık işlevleri için çalışır. PCB'lerde, bu da istenmeyen yolları çoğaltmak için uçaklara ve zeminlere ihtiyaç duymaya devam eder.

Radyasyon-Hardized Layout Teknikleri

Parça seçiminin ötesinde, PCB düzeni radyasyon toleransını güçlü bir şekilde etkiler. Anahtar uygulamalar şunları içerir:

Termal Yönetim Uygulama

Etkili termal tasarım, çok sayıda tekniği entegre eder.Geçmiş bakır para teknolojisi, doğrudan yüksek performanslı bileşenler altında ısıyı verimli bir şekilde dökmek için sağlam bakır ekler.Her tasarım, ısıtılmış olan ısıtılmış yüzeyler ve ısıtılmış son dereceler dahil olmak üzere, yüksek çözünürlükte ısı borular yerleştirilebilir.

Yüksek Güvenilirlik için Manufacturability for High Reliability for High Reliability for High Reliability

Havacılık PCBleri üretim kusurları için yer bırakmaz. Tasarımlar sıkı işlem kontrolleri sağlamalıdır: daha geniş annular (zengin katmanları için 0.13 mm, dış için 0.13 mm), daha büyük minimum iz genişliği ve spatajları (0.2 mm tipik IPC Sınıfı 3) ve kontrol edilen toleranslar için ±10% veya daha sıkı.

Aşırı Çevreler için İmalat ve Assembly

IPC Sınıf 3 Gereksinimler

Tüm havacılık ve uydu PCB'leri IPC Sınıfı 3 (yüksek delikliability) standartları için üretilmektedir. Bu, her türlü üretim için katı kriteri uygular: ±0.05 mm, dielektrik kalınlığı kontrolleri ±10% içinde, plakalı boşluklar ve kesinlikle temiz parçalar halinde (görüntüsüz kalıntıları temizlemeden sonra görünür bir şekilde yerine getirmeli).

Lefing ve Contamination Control

Hiçbir temiz flux kalıntıları, elektrikli ve yüksek nem koşulları altında sızıntıya neden olabilir. Sonuç olarak, tüm toplantılar en düşük veya yarı-kırık prosesleri kullanarak, her bir satış makinesi için optimize edilir (örneğin, Sn63Pb37 ectic veya UP-420 $ 1,5 gibi yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte) ile belgelenir ve hasarları önlemek için termal profiller ile belgelenebilir.

Muayene ve Kalite Güvence

Otomatik optik denetim (AOI) her katta, üretim sırasında kayıt ve hata sorunları erken. X-ray inceleme BGAs ve QFNs'taki gizli satışçı eklemleri doğrulamaktadır.Her üretim panelinden test kuponlarının kesiti kaplama kalınlığı, dielektrik bütünlüğü ve satışçı ortak kaliteyi doğrulamaktadır.

Test ve Geçerlilik Protokolleri

Termal Bisiklet ve Vakum Testi

Uzay için PCB'ler, ameliyat aralıklarında yüzlerce binlerce termal döngü hayattamalıdır. Tipik test profillerini -55°C'den +125°C'ye 10-15°C'ye kadar, termal stabilizasyon elde etmek için yeterli zamanları ile (her bir aşırıda 10-15 dakika) termal vakumlama (TVAC) testleri, 10-5 Torr'dan sonraki vakum seviyelerindeki sıcaklık bisikleti birleştirir, gerçek uzay ortamını basitleştirir. TVAC, ilgili kirlenme, soğuk kaynak ve termal gradyan sorunları ile ilgili olarak yalnızca sadece gözle görülür değildir.

Titreşim ve Şok Test

Random titreşim testi, frekans aralığı 20-2000 Hz arasında başlatılmış ortamı, güçle çarpar, 02/Hz'ye kadar 3 dakika boyunca (tipik olarak 3 eksenler) Sine süpürücü testleri, yorgunluktan önce tekrar frekanslar tanımlar ve sonra ısıtılır. Mekanik şok testleri piroshock simülatörü (drok çelik plakaları veya patlayıcı suçlamaları) 500-3000 g sürelerini 0.2-2 m ile birlikte 0'lık aralıklarla pulslar üretmek için kullanır.

Radyasyon Testi

Toplam iyonize doz (TID) testi, geostationary veya interplanetary (SEE) testleri, PCB'leri ve bileşenleri, ortalama 10-100 krad for LEO, 100-1000 krad for geostationary veya Interplanetary) testlerini kullanarak ağır iyon hızlandırıcıları veya kirişleri veya kirişleri önlemek için kullanır (kesinlikle kesitler için eşdeğerdir.

Burn-In ve Accelerated Life Testi

Yüksek sıcaklıkta (tipik olarak 125°C, önyargı altında uygulanan güçle 168 saat boyunca) bebek ölüm başarısızlıklarını hızlandırıyor. Yüksek hızlandırılmış yaşam testleri (HALT) sıcaklık bisikletini birleştirir, hızlı ısı geçişlerini birleştirir ve sınırlarının ötesine geçmek ve zayıf noktaları tanımlamak için çok eksenli titreşim.

Endüstri Standartları ve Sertifikaları

Tasarım, üretim ve test, kapsamlı bir standart setine uymalıdır.ETHFLT:0)IPC standartları[Dönetici) ve MIL-STD-202 (test yöntemleri) uydu uygulamaları için yaygın olarak kullanılır. [Uygunluk ve montaj programları için).

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Uydu ve uzay uygulamaları için PCB'leri tasarlamak, malzeme bilimi, termal mühendislik, mekanik analiz, radyasyon fiziği ve titiz kaliteli sistemlere entegre eden kapsamlı bir yaklaşım gerektirir.Her karar - substrat seçimi ve bakır ağırlıktan yararlanarak ve test kapsamını - bu tür riskler zor olabilir: tek bir PCB başarısızlığı kritik iletişim, navigasyon veya bilimsel araçlar, potansiyel olarak planlanan sonuca kadar bir görevi sona erebilir.

En başarılı tasarımlar, PCB mühendislerinin birlikte çalıştığı bir sistem düzeyinden ortaya çıkıyor ve termo analistleri, yapısal mühendisler ve en sıkı güvenilirlik gerekliliklerini karşılayan PCB mühendislerini anlayarak, kanıtlanmış tasarım stratejileri, uzay ışığı için nitelikli malzemeler ve bileşenleri uygulamaktadır ve her prototip test yoluyla doğrulayarak, mühendislik ekipleri en zorlu ve ödüllendirici testlerden birini sağlayarak, çevre stres faktörlerinin tam spektrumlarını genişletir.Inktörleri genişletmek ve derin alan keşifleri daha da genişletir, kanıtlanmış tasarım stratejileri, sadece sağlam, uçuş-telize edilmiş PCB tasarımları için talepler, bu disiplini elektronik mühendisliğin en zorlu ve ödüllendirici bir kısmını sağlayacaktır.