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.
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.
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/
Cool? Ranking DIY
