Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
PCBway
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 12 - Kosmiczne PCB

ghost666 25 Lis 2019 20:53 2160 8
  • Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 12 - Kosmiczne PCB
    Obecnie projektowanie płytek drukowanych jest zagadnieniem tak dobrze opracowanym i szeroko znanym, że prawie nikt, robiąc to, nie myśli o szczegółach. Łatwo jest narysować projekt PCB, wysłać go do fabryki i mieć dziesięć płytek drukowanych w rękach w mgnieniu oka. Wszystkie zawiłości projektowe są w znacznym stopniu ukryte przed nami, wyodrębnione do kilku pól wyboru na stronie internetowej dostawcy czy też jako opcja w używanym przez nas oprogramowaniu EDA.

    Nie ma wątpliwości, że udostępnienie hobbystom profesjonalnych narzędzi do projektowania płytek drukowanych stanowi pewną korzyść, ale ma również swoje minusy. Nie każdy projekt PCB można sprowadzić do podejścia „wybierz jedną opcję z kolumny A, jedną z kolumny B etc”. Istnieje wiele zastosowań, w których standardowe materiały i techniki produkcyjne po prostu nie są wystarczające. PCB projektowane do pracy w kosmosie to jedna z takich aplikacji, i choć pewnie niewielu z użytkowników elektrody będzie miało szczęście projektować tego rodzaju urządzenia (a wiem, że kilku jest - przyp.red.), to poznanie tego, co kryje się w płytkach PCB o przeznaczeniu do systemów kosmicznych, jest całkiem interesujące.

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 12 - Kosmiczne PCB
    Dostać się tam

    Konstrukcja płytek drukowanych do użytku w przestrzeni kosmicznej jest definiowana przez wymagania dwóch faz misji czy lotu kosmicznego - dotarcia tam, tj. w przestrzeń kosmiczną oraz pobytu w przestrzeni kosmicznej. Niektóre misje w końcu oczywiście powrócą na Ziemię, a niektóre wylądują na powierzchni np. innej planety, ale w większości pojazdy kosmiczne pozostają po prostu zawieszone w przestrzeni kosmicznej na jakiejś orbicie naszej planety przez resztę swojego użytecznego życia.

    Podczas krótkiej podróży w przestrzeń kosmiczną podstawowym wyzwaniem dla każdej płytki PCB w statku kosmicznym są wibracje. Płytka drukowana znajdzie się w pobliżu ledwo kontrolowanej, ciągłej eksplozji zawartej w silniku maszyny, która jest tak lekka, jak to możliwe. Nawet z amortyzującymi mocowaniami między pojazdem a ładunkiem, wibracje mogą być znaczące. Urządzenia do testowania odporności na wibracje wykorzystywane przez NASA mogą przekazywać ogromne siły ogromnym obciążeniom w częstotliwości w zakresie od 5 Hz do 3 kHz. Testowane elementy poddawane są wibracjom odpowiadającym dźwiękowi o natężeniu do 167 decybeli - ma to symulować obciążenia, jakie występować będą na elementach elektronicznych ładunku podczas uruchamiania silników i startu pojazdu.

    Oznacza to, że taka płytka drukowana musi być zbudowana z materiałów, które mogą wytrzymać znacznie bardziej dynamiczne środowisko niż najbardziej dynamiczne sytuacje dla sprzętu naziemnego. Nieco zaskakujące jest to, że własne wytyczne grupy roboczej NASA wymieniają wiele popularnych materiałów na podłoża dla PCB, takich jak włókna szklane i żywice fenolowe, które są standardowo stosowane do produkcji płytek drukowanych. Oprócz tego wymienia również wiele bardziej egzotycznych materiałów, takich jak Kevlar, Teflon i różne żywice. W przypadku większości zastosowań NASA wydaje się preferować podłoża poliimidowe, które będą znane każdemu, kto zamówił elastyczną płytkę PCB (a o laminatach typu Flex pisaliśmy kilkukrotnie: , [url=https://www.elektroda.pl/rtvforum/viewtopic.php?p=18033669#18033669]Link, Link Link - przyp.red.). Warstwy kaptonu, na którym są zbudowane tego rodzaju płytki drukowane, to poliimid, a NASA często używa elastycznych i półsztywnych płytek drukowanych z tych materiałów w wielu swoich konstrukcjach. Gdy projekt, z jakiegoś względu, wymaga sztywnej płytki drukowanej, stosowany czasami jest na przykład poliimid wzmocniony włóknem szklanym.

    Niezależnie od użytych materiałów, projektanci często radzą sobie z fizycznym wymaganiami startu w najprostszy możliwy sposób: zwiększając grubość płytki. Działa to jednak tylko do pewnego momentu, ponieważ ciężar ładunku przekłada się bezpośrednio na koszty produkcji danego systemu, a także koszty wyniesienia go na orbitę. Gdy koszt startu ładunku wynosi 20 tysięcy dolarów za kilogram, to dodanie nawet kilku gramów ma poważne implikacje w kosztorysie całego projektu.

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 12 - Kosmiczne PCB
    Bycie na miejscu

    Pomimo swojej wielkości, naprężenia wynikające ze startu pojazdy trwają tylko chwilę. Jeśli ładunek przetrwa krótką podróż na orbitę, będzie musiał stawić czoła wielu innym wyzwaniom związanym z pobytem w przestrzeni kosmicznej. Wyzwania te są diametralnie inne niż to, co wytrzymywać muszą płytki drukowane pracujące na ziemi.

    Najważniejszym z nich jest odgazowanie, czyli tendencja materiałów wykorzystanych do budowy urządzenia do uwalniania gazów po umieszczeniu ich w próżni przestrzeni kosmicznej. Żywice stosowane często do produkcji podłóż PCB, które są idealnie stabilne w warunkach atmosferycznych, mogą zacząć szybko emitować rozpuszczone w laminacie gazy, gdy płytka znajdzie się w przestrzeni kosmicznej. Może to prowadzić zarówno do zanieczyszczenia innych powierzchni wokół PCB, jak i osłabienia samego podłoża. Tam, gdzie konieczne jest kontrolowanie odgazowania, często stosuje się podłoża z żywic wykorzystujących teflon (PTFE) ze wzmocnieniem z włókna szklanego, które produkowane są w ściśle kontrolowanych warunkach.

    Niewiele urządzeń naziemnych doświadczy podobnych warunków termicznych, które będą występować standardowo na orbicie. Tego rodzaju obciążenia termiczne są głównym czynnikiem konstrukcyjnym dla płytek drukowanych pracujących w przestrzeni kosmicznej. Bez atmosfery ograniczającej dynamikę wahania temperatury jedna strona orbitującego satelity może być gorąca, gdy wystawiona jest na działanie słońca, podczas gdy druga strona pogrąża się w mroku i zimnie bliskim zeru bezwzględnemu. Tego rodzaju wielkie gradienty temperatur przekładają się na powstawanie ogromnych naprężeń, powodowanych termicznym rozszerzaniem się poszczególnych fragmentów urządzenia. Rozwiązanie tego problemu sprowadza się do wyboru odpowiedniego materiału podłoża i ścisłego dopasowania jego współczynnika rozszerzalności do współczynnika metalu użytego do realizacji warstwy przewodzącej. Minimalizuje to fizyczne obciążenie ścieżek i metalizowanych otworów w PCB.

    Ważne jest również rozważenie, w jaki sposób temperatura wpływa na właściwości elektryczne samego PCB. Stała dielektryczna materiału płytki drukowanej zmienia się wraz z temperaturą, a projektant musi wziąć to pod uwagę, szczególnie w obwodach RF, w których impedancja linii długich jest krytyczna. Względy dielektryczne są również ważne, ponieważ PCB w przestrzeni często napotykają na pola elektryczne o wysokim natężeniu np. z powodu aktywności słonecznej. Urządzenia muszą znosić takie warunki bez żadnej awarii.

    Podsumowanie

    Biorąc wszystko pod uwagę wszystkie te wymagania, można stwierdzić, że z jednej strony płytki drukowane do zastosowań kosmicznych są bardzo podobne do ich naziemnych odpowiedników, ale z drugiej strony mają szereg unikatowych wymagań. W powyższym tekście napisano sporo na temat radzeniu sobie z dodatkowymi wyzwaniami związanymi z przestrzenią kosmiczną. Agencje kosmiczne, takie jak NASA, a także liczne firmy komercyjne, opracowały wiele narzędzia niezbędnych do zapewnienia, że ​​jeden prosty błąd nie unieruchomi wielomiliardowego projektu.

    Źródło: https://hackaday.com/2018/11/26/designing-space-rated-pcbs/

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9436 postów o ocenie 7364, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • PCBway
  • #2
    ADI-mistrzu
    Poziom 30  
    To wracając do PCB, jako ciekawostka często używane są obudowy CQFP:
    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 12 - Kosmiczne PCB
    Tutaj nieco podniszczona wersja:
    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 12 - Kosmiczne PCB
    Występują także układy w obudowach podobnych do BGA, lecz zamiast kulek są pręciki:
    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 12 - Kosmiczne PCB
    Pomaga to podczas dużych różnic temperatur gdzie widać różnice w rozszerzalność materiałowej pomiędzy PCB a IC.

    Sam DIE jest wykonywany w inny sposób:
    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 12 - Kosmiczne PCB
    Tranzystory układane są bardziej wertykalnie niż horyzontalnie.
  • #3
    Chris_W
    Poziom 37  
    Elektronika kosmiczna musi uwzględniać trzy kluczowe czynniki, temperaturę - czyli trzeba izolować termicznie, robić podgrzewanie albo chłodzenie, ciśnienie - gdzie trzeba hermetyczności, lub odporności na próżnię, no i radiacja - swobodne elektrony generowane promieniowaniem zakłócają elektronikę. Na szczęście te kwestie można rozwiązać odpowiednią osłoną - i to w materiałach kosmicznych jest główny rozwój, a nie elektronice.
  • PCBway
  • #4
    ADI-mistrzu
    Poziom 30  
    @Chris_W, osłona zwiększa masę co nie jest koniecznie dobre. Układy scalone dla przemysłu kosmicznego wykonywane są w specjalnej technologii aby zapewnić "hard radiation tolerant".
    Problemem są tutaj rozpędzone jony cząstek i promieniowanie jonizacyjne pochodzące np. ze słońca, które niszczą strukturę.
    Testy często obejmują bombardowanie układów ciężkimi jonami oraz protonami (dwa różne testy).
  • #5
    Chris_W
    Poziom 37  
    Jakaś osłona i tak by musi, a rozwój idzie żeby wytrzymywała ona ciśnienie (nie tylko 1atm), temperaturę (nie tylko -270 ale też +1000) była blokadą dla radiacji (nie tylko ciężkie jony, ale też promieniowanie Y i X) i żeby była lekka.
    Nikt normalny pcb nie wystawi na kosmos tylko wsadzi w obudowę, a najlepiej jak elektronika jest wewnątrz całego pojazdu czy czegoś o czym tu mówimy, za wieloma osłonami pancerza zewnętrznego i wielu przegród wewnętrznych.
    Podróże na orbitę (wątek kosztów rakiet, paliwa etc.) będą tanie - jak powstanie winda kosmiczna - nie musi ona sięgać do powierzchni - może być z platformy z wysokiej atmosfery żeby tylko lina wytrzymywała.
  • #6
    Linoge
    Poziom 27  
    ADI-mistrzu napisał:
    To wracając do PCB, jako ciekawostka często używane są obudowy CQFP:
    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 12 - Kosmiczne PCB

    Tranzystory układane są bardziej wertykalnie niż horyzontalnie.

    Jakim cudem to może takie wibracje przetrwać ?
  • #7
    ADI-mistrzu
    Poziom 30  
    @Linoge, to nie jest ostateczna forma przed montażem.
    Robi się testy układu w specjalnych podstawkach, potem układ jest przycinany i formowany i wychodzi coś w podobie QFN. Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 12 - Kosmiczne PCB
    Same układy przyklejane są do PCB, jako ciekawostka wspomnę iż najpierw się je lutuje a potem dopiero przykleja. Zmniejsza to naprężenia termiczne w trakcie lutowania na nóżkach (układ może nadal się nieco przemieszczać w przeciwieństwie do wcześniej przyklejonego).
  • #8
    Szyszkownik Kilkujadek
    Poziom 35  
  • #9
    kowal011
    Poziom 18  
    No tak. Temat ciekawy ale mi nie wolno nawet zdjęcia wkleić. Różne podejście do lotów kosmicznych (czy to już kosmiczne, czy jeszcze wojskowe) widać w samolotach z różnych kontynentów. Tym, które "wolą ziemię" bliżej jest technologicznie/wykonawczo do zdjęć z topicu.