Was PCBs für die Luft- und Raumfahrt bedeuten

Elektronische Teile in der Luft- und Raumfahrt können entweder kritisch oder unkritisch sein. So werden beispielsweise für das Autopilotsystem eines Flugzeugs Leiterplatten (PCBs) verwendet. Diese Platinen sind sehr wichtig für die Sicherheit der Menschen. Wenn sie ausfallen, kann das sehr schlimme Folgen haben.
Im Gegensatz dazu verfügt ein Verkehrsflugzeug über Platinen für die Sitzsteuerung. Diese Platinen sind nicht kritisch. Wenn sie ausfallen, sind die Menschen nicht in Gefahr. Dennoch müssen elektronische Geräte so beschaffen sein, dass sie “ausfallsicher” sind und kein Feuer fangen können.

aerospace PCB

Wenn Sie Elektronik für das Militär oder die Luft- und Raumfahrt entwickeln, sollten Sie sich frühzeitig an die richtigen Regeln halten. Die von Ihnen ausgewählten Teile und Materialien müssen den Anforderungen des Endverbrauchers entsprechen. Wenn das Produkt einsatzkritisch ist, müssen Sie mit längeren Vorlaufzeiten rechnen. Die Genehmigungsschritte werden mehr Zeit in Anspruch nehmen.

Fertigungsschritte und Materialauswahl

Die Herstellung von PCBAs besteht aus zwei Hauptschritten: der Herstellung der Leiterplatten und der Montage. Die erste wichtige Entscheidung ist die Wahl des zu verwendenden Leiterplattenmaterials. Allzu oft wird dieser Entscheidung nicht genügend Aufmerksamkeit geschenkt. Viele PCB-Designprogramme verwenden FR4 als Standard-Dielektrikum. FR4 eignet sich für viele Anwendungen.
FR4 ist manchmal gut genug. In anderen Fällen ist es das nicht. Für Leiterplatten in der Luft- und Raumfahrt können alternative Materialien wie Polyimid eine bessere Wahl sein. Eine bessere Materialwahl ergibt sich aus der Kenntnis der Materialeigenschaften und der Auswirkungen dieser Eigenschaften auf die Leiterplattenherstellung. Raumfahrtsysteme müssen unter rauen Bedingungen betrieben werden. Daher ist die Materialauswahl sehr wichtig.

Wichtigste Materialfaktoren für Leiterplatten in der Luft- und Raumfahrt

Achten Sie bei der Auswahl von Materialien für Leiterplatten für die Luft- und Raumfahrt auf die folgenden Hauptpunkte:

  • Stärke
    Der Start und der Flug ins All können starke Vibrationen und mechanische Belastungen verursachen. Die Stärke der Platte ist wichtig.

  • Dauerhaftigkeit
    Anders als die meisten erdgebundenen Leiterplatten können Satellitenplatinen nach dem Start oft nicht repariert oder ausgetauscht werden. Langlebigkeit ist entscheidend.

  • Thermischer Widerstand
    Die Platinen müssen unter extremer Hitze und Kälte funktionieren und trotzdem funktionieren. Dies ist eine der wichtigsten Anforderungen an PCBA für die Luft- und Raumfahrt.

  • Stabilität
    Die Raumtemperaturen können sehr hoch oder sehr niedrig sein. Die Platten müssen diesen Extremen standhalten.

  • Thermisches Zyklieren
    Die Systeme müssen wiederholte Zyklen von heiß zu kalt und zurück bewältigen.

  • Flexibilität
    Nicht alle Leiterplatten für die Luft- und Raumfahrt müssen sich biegen. Viele Entwürfe verwenden jedoch mehrere Leiterplatten und flexible Verbindungen. Beispiele sind kleine Satelliten wie CubeSats.

  • Chemische Beständigkeit
    Äußere und innere Verunreinigungen können elektronische Bereiche schädigen. Die Weltraumstrahlung ist die Hauptsorge. Aber auch andere Verunreinigungen können auftreten, insbesondere durch Feuchtigkeit. Um dies zu vermeiden, spülen die Hersteller die Gehäuse oft mit Stickstoff und versiegeln sie. Sie verwenden auch konforme Beschichtungen.

Die beiden gängigsten Materialien für Leiterplatten in der Luft- und Raumfahrt sind FR4 und Polyimid. FR4 ist eine gute allgemeine Wahl für viele Leiterplatten. Polyimid bietet hervorragende Flexibilität und thermische Eigenschaften. Daher ist es für einige Anwendungen am besten geeignet. Schauen wir uns diese Optionen anhand der oben aufgeführten Punkte an.

Polyimid vs. FR4 für Leiterplatten in der Luft- und Raumfahrt

Bei der Herstellung von Leiterplatten für die Luft- und Raumfahrt müssen viele Regeln und Normen eingehalten werden. Leiterplatten für die Luft- und Raumfahrt müssen spezielle Anhänge und Spezifikationen erfüllen, wie IPC-6012D für starre Leiterplatten und IPC-6013D für flexible und starr-flexible Leiterplatten. Sowohl Polyimid als auch einige FR4-Typen können die Vorschriften der Luft- und Raumfahrt erfüllen. Sie müssen sich also die Details für Ihren Verwendungszweck ansehen. Die folgende Tabelle zeigt, worauf Sie bei der Auswahl eines Materials achten sollten.

Hinweis: Die Angabe “FR4” in vielen Tabellen bezieht sich auf Basis-FR4. Andere FR4-Sorten können bessere Eigenschaften für die Verwendung in der Luft- und Raumfahrt aufweisen.

Polyimid und FR4 unterscheiden sich bei Leiterplatten für die Luft- und Raumfahrt in wesentlichen Punkten. Ein klarer Unterschied ist die Flexibilität. Polyimid ist ein flexibles Material, das für flexible und starr-flexible Leiterplatten verwendet wird. FR4 ist für starre Leiterplatten gedacht. Dennoch ist Polyimid oft stärker als FR4. Dies verleiht Polyimid eine bessere Haltbarkeit. Wenn Sie mit extremen Temperaturen und Temperaturschwankungen rechnen müssen, ist Polyimid die erste Wahl. Beide Materialien sind gut gegen Verunreinigungen geschützt.

Polyimide films

Die richtige Wahl hängt vom jeweiligen Fall ab. Für einige Systeme ist Polyimid am besten geeignet. Bei anderen kann die interne Wärmeregulierung des Raumfahrzeugs die Umgebung stabil halten. Dann könnte FR4 ausreichend sein. Auch das Design der Platine ändert die Entscheidung. Für Flex-Platinen gelten sehr unterschiedliche Designregeln. Zum Beispiel:

  • Vermeiden Sie Durchkontaktierungen in Biegebereichen.

  • Verlegen Sie die Leiterbahnen so, dass sie sich in langen Bögen biegen, um die Lebensdauer zu verlängern.

  • Verwenden Sie an den Kreuzungspunkten 45-60 Grad Kupferkehlen, um das Biegen zu erleichtern. (Einige Hersteller verwenden andere Winkel.)

  • Achten Sie auf die Anzahl der Schichten und den Biegeradius.

  • Verwenden Sie andere Konstruktionsschritte, um die Rissbildung bei Kupfer zu verringern.

Konstrukteure für unterschiedliche Branchen müssen den Prozess der Materialauswahl anpassen. In der Luft- und Raumfahrt ist dieser Schritt noch wichtiger. Sie müssen für extreme Bedingungen planen.

Normen der Luft- und Raumfahrtindustrie, die für die Leiterplattenherstellung gelten

Ein vollständiger Leitfaden für PCB-Normen in der Luft- und Raumfahrt ist lang. Nachfolgend finden Sie die wichtigsten Normen, die Sie kennen sollten:

  • ISO 9100 - Eine grundlegende Norm für Qualitätsmanagementsysteme. Viele andere Normen gehen auf den ISO-Gedanken zurück. Sie konzentriert sich auf Kundenbedürfnisse, Top-Management, QMS-Prozesse und kontinuierliche Verbesserung.

  • AMS2750E - Deckt den Hochtemperaturbedarf für Wärmebehandlungsanlagen ab. Dazu gehören Sensoren, Instrumente und Tests für thermische Prozesse.

  • AS478N - Zeigt, welche Markierungen zu verwenden sind und wo sie auf Teilen der Luft- und Raumfahrt angebracht werden müssen.

  • AS5553A - Legt Regeln für die Lieferkette für Teile fest, die in Luft- und Raumfahrtplattformen verwendet werden.

  • AS9006A - Legt Regeln für Software und Softwareunterstützung fest, die Teil von Raumfahrzeugsystemen sein können.

  • AS9100D - Legt die QMS-Anforderungen für Zulieferer der Luft- und Raumfahrt fest. Es umfasst interne und ausgelagerte Fertigungsschritte. Er betont die Bedürfnisse der Kunden.

  • AS9101E - Zeigt, wie man QMS-Audits durchführt und über die Ergebnisse berichtet.

  • AS9102B - Auflistung der Grundanforderungen für die Erstmusterprüfung (FAI).

aerospace PCB Applications in Aircraft

Diese Luft- und Raumfahrtnormen decken Bereiche ab, die Elektronik und Leiterplatten betreffen. Sie müssen auch andere Regeln befolgen, die für Ihr Produkt oder Ihre Lieferkette gelten.

Warum die effektive Wärmeleitfähigkeit von Leiterplatten in der Luft- und Raumfahrt wichtig ist

Thermische Kontrolle ist ein Schlüsselthema für PCBA in der Luft- und Raumfahrt. Die Wärmeausbreitung ist für alle Leiterplatten wichtig. Im Weltraum ist es schwierig, Wärme durch Luft abzutransportieren. Das Vakuum macht eine Wärmeübertragung durch Luft unmöglich. Eine Platine, die im Weltraum thermische Schäden erleidet, kann nicht repariert werden. Das Risiko ist also hoch. Eine Überhitzung kann dazu führen, dass eine Platine ausfällt und das gesamte Raumfahrzeug nicht mehr funktioniert. Ihr Platinenentwurf muss Möglichkeiten vorsehen, wie die Wärme von der Platine abgeführt werden kann.

Was ist die effektive Wärmeleitfähigkeit von PCB?

Die effektive Wärmeleitfähigkeit von Leiterplatten ist die Fähigkeit der Leiterplatte, zusätzliche Wärme zu verteilen und abzuleiten. So bleibt kein Bereich zu heiß. Wenn ein Teil oder Material zu heiß wird, kann es frühzeitig ausfallen.

Was passiert, wenn die Wärmeleitfähigkeit zu niedrig ist?

Eine niedrige effektive Wärmeleitfähigkeit kann große Probleme verursachen:

  • Strukturelle Verschlechterung
    Wenn die Temperatur der Platine über den Grenzwert eines Materials steigt, kann sich die Platine verformen oder zusammenbrechen. In der Nähe von Hochleistungsteilen können sich heiße Stellen bilden, wenn die Wärme nicht abfließt.

  • Beschädigung von Bauteilen
    Jedes Teil hat eine Höchsttemperatur. Wenn Sie diese überschreiten, funktioniert das Teil nicht mehr oder wird beschädigt.

  • Delamination
    Bei mehrlagigen Platten werden die Lagen durch Laminierung zu einer Struktur gepresst. Je nach Wahl des Materials können die Schichten nach der Verarbeitung durch hohe Temperaturen zersetzt werden.

  • Feuer
    Wenn extreme Hitze lange anhält, können sich Teile oder die Platine entzünden. Überhitzte Isolatoren können einen Lichtbogen erzeugen und einen Brand auslösen. Dies ist eine katastrophale Folge. Es kann die Platine und andere Teile in der Nähe zerstören.

Aufgrund dieser Risiken müssen die Hersteller für eine gute effektive Wärmeleitfähigkeit von Leiterplatten für die Luft- und Raumfahrt sorgen.

Wie man PCBAs für die Luft- und Raumfahrt für beste thermische Leistung baut

Im Gegensatz zu Bodensystemen können Raumfahrzeugsysteme die Wärme nicht in den Raum ableiten. Die Elektronik eines Raumfahrzeugs muss die Wärme innerhalb des Systems oder in Bereiche leiten, die durch das thermische Kontrollsystem (TCS) bestimmt werden. Das TCS ist Teil der Konstruktion des Raumfahrzeugs. Um das TCS zu unterstützen, muss die PCBA zusätzliche Wärme abführen. Verwenden Sie die folgenden Anleitungen, um dies gut zu tun.

aerospace PCBA

Thermische Gestaltungsrichtlinien für die effektive Leitfähigkeit von Leiterplatten

  • Kennen Sie die Temperaturgrenzwerte für Ihr Board in der Zielumgebung.

  • Verwenden Sie Komponenten, die den Fertigungsstandards für die Luft- und Raumfahrt.

  • Wählen Sie Plattenmaterialien, die zueinander passen Anforderungen an die Weltraumumgebung.

  • Führen Sie eine Thermoanalyse auf das Design. Dies beweist, dass die Platine Wärme ableiten kann.

  • Verwenden Sie bei Bedarf spezielle Teile und Materialien. Zum Beispiel vertragen MMICs und Keramiken oft höhere Temperaturen als Standardteile.

  • Befolgen Sie die oben genannten Schritte für jede Platine, die eine hohe thermische Leistung benötigt.

Diese Schritte tragen dazu bei, die Fähigkeit der Platte zur Wärmeabfuhr zu optimieren.

Zusammenfassung und eine Anmerkung zu Philifast

Raumfahrtelektronik muss höheren Anforderungen an Haltbarkeit und Zuverlässigkeit genügen. Dadurch unterscheidet sich ihr Design und ihre Herstellung von den meisten Leiterplatten. Diese Qualitätsanforderungen spiegeln sich in den Regeln und Normen wider, die Ihre Arbeit mit einem Auftragsfertiger (CM) beeinflussen. Ihr CM sollte vom ersten Tag an in das Design einbezogen werden. Er muss dafür sorgen, dass die Leiterplatten, Teile und alle Prozesse die Luft- und Raumfahrtstandards erfüllen oder übertreffen.

Philifast bietet Hilfe bei der Entwicklung und Herstellung von Leiterplatten für die Luft- und Raumfahrt. Wir arbeiten mit strengen Standards. Wir helfen Ihnen bei der Auswahl des richtigen Materials, führen thermische Studien durch und führen die erforderlichen Qualitätsprüfungen durch. Wenn Sie Hilfe beim Entwurf von Leiterplatten für die Luft- und Raumfahrt, beim Prototyping oder bei der Produktion benötigen, kann Philifast Sie vom Entwurf bis zur Lieferung unterstützen.

Schnelle Checkliste für PCB-Projekte in der Luft- und Raumfahrt

  • Planen Sie eine längere Genehmigungszeit ein, wenn das Produkt unternehmenskritisch ist.

  • Wählen Sie Materialien mit den erforderlichen Festigkeits- und Wärmeeigenschaften.

  • Entwerfen Sie Flexzonen sorgfältig für Rigid-Flex- oder Flex-Platten.

  • Führen Sie frühzeitig eine thermische Analyse durch.

  • Befolgen Sie die IPC- und AS-Normen für die Verwendung in der Luft- und Raumfahrt.

  • Verwenden Sie bei Bedarf eine konforme Beschichtung und eine Gehäusespülung.

Wenn Sie wollen, Philifast kann Ihr Design prüfen und Ihnen Feedback geben, damit die Platine für die Luft- und Raumfahrt tauglich wird.

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