معنای PCBهای هوافضا
قطعات الکترونیکی هوافضا میتوانند حیاتی یا غیرحیاتی باشند. برای مثال، سیستم خلبان خودکار هواپیما از بردهای مدار چاپی (PCB) استفاده میکند. این بردها برای حفظ ایمنی افراد بسیار مهم هستند. اگر آنها دچار نقص شوند، نتیجه میتواند بسیار بد باشد.
در مقابل، یک هواپیمای تجاری دارای بردهای مدار چاپی برای کنترل صندلیها است. این بردها حیاتی نیستند. اگر خراب شوند، مردم در خطر قرار نمیگیرند. با این حال، تجهیزات الکترونیکی باید طوری ساخته شوند که در صورت خرابی ایمن باشند و آتش نگیرند.
وقتی در طراحی الکترونیک نظامی یا هوافضا هستید، از همان ابتدا برنامهریزی کنید تا قوانین مناسب را رعایت کنید. قطعات و موادی که انتخاب میکنید باید نیازهای کاربرد نهایی را برآورده کنند. اگر محصول برای مأموریت حیاتی باشد، انتظار زمان تأمین طولانیتری را داشته باشید. مراحل تأیید نیز زمان بیشتری خواهد برد.
مراحل تولید و انتخاب مواد
تولید برد مدار چاپی مونتاژشده (PCBA) دو مرحلهٔ اصلی دارد: ساخت برد و مونتاژ. انتخاب کلیدی اول، جنس برد است. متأسفانه اغلب به این انتخاب توجه کافی نمیشود. بسیاری از نرمافزارهای طراحی PCB، FR4 را بهعنوان دیالکتریک پیشفرض استفاده میکنند. FR4 برای مصارف متعدد مناسب است.
گاهی FR4 کافی است. در موارد دیگر کافی نیست. برای بردهای مدار چاپی هوافضا، مواد جایگزین مانند پلیآمید ممکن است انتخاب بهتری باشند. انتخاب بهتر مواد از شناخت ویژگیهای آن و تأثیر این ویژگیها بر ساختار برد حاصل میشود. سیستمهای فضایی باید در شرایط سخت کار کنند. بنابراین انتخاب مواد بسیار مهم است.
عوامل اصلی مواد برای بردهای مدار چاپی هوافضا
هنگام انتخاب مواد برای بردهای مدار چاپی هوافضا، به این نکات اصلی توجه کنید:
-
قدرت
شلیک و پرواز فضایی میتواند باعث ایجاد ارتعاش شدید و تنش مکانیکی شود. استحکام سازه اهمیت دارد. -
دوام
برخلاف بیشتر بردهای مدار چاپی زمینی، بردهای ماهوارهای اغلب پس از پرتاب قابل تعمیر یا تعویض نیستند. دوام آنها حیاتی است. -
مقاومت حرارتی
بردها باید در شرایط شدید گرما و سرما کار کنند و همچنان به کار خود ادامه دهند. این یکی از نیازهای اصلی برای مونتاژ برد مدار چاپی در صنعت هوافضا است. -
ثبات
دمای فضا میتواند بسیار بالا یا بسیار پایین باشد. بردها باید در برابر این شرایط شدید مقاومت کنند. -
چرخه حرارتی
سیستمها باید بتوانند چرخههای مکرر از گرم به سرد و بازگشت را مدیریت کنند. -
انعطافپذیری
همه بردهای مدار چاپی هوافضا لازم نیست خم شوند. با این حال، بسیاری از طرحها از چندین برد و رابطهای انعطافپذیر استفاده میکنند. نمونهها شامل ماهوارههای کوچک مانند کیوبسَتها هستند. -
مقاومت شیمیایی
آلودگی خارجی و آلودگی داخلی میتوانند به قطعات الکترونیکی آسیب برسانند. تابش فضایی نگرانی اصلی است. اما آلایندههای دیگر نیز ممکن است ظاهر شوند، بهویژه در حضور رطوبت. برای جلوگیری از این، سازندگان اغلب محفظهها را با نیتروژن پالایش کرده و سپس آنها را مهر و موم میکنند. آنها همچنین از پوشش تطبیقی استفاده میکنند.
دو مادهٔ رایج برای بردهای هوافضا FR4 و پلیآمید هستند. FR4 انتخاب عمومی خوبی برای بسیاری از بردهای مدار چاپی است. پلیآمید انعطافپذیری و ویژگیهای حرارتی عالی ارائه میدهد. این امر آن را برای برخی کاربردها بهترین میسازد. بیایید این گزینهها را از منظر نکات فوق بررسی کنیم.
پلیمید در مقابل FR4 برای بردهای هوافضا
ساخت بردهای هوافضا باید از قوانین و استانداردهای متعددی پیروی کند. بردهای هوافضا باید ضمیمهها و مشخصات ویژهای مانند IPC-6012D برای بردهای صلب و IPC-6013D برای بردهای انعطافپذیر و نیمهانعطافپذیر. هم پلیآمید و هم برخی انواع FR4 میتوانند مطابق مقررات هوافضا باشند. بنابراین باید جزئیات مربوط به کاربرد خود را بررسی کنید. جدول زیر فهرست میکند که هنگام انتخاب یک ماده چه مواردی را باید بررسی کنید.
توجه: موارد “FR4” در بسیاری از جدولها به معنای FR4 پایه است. سایر گریدهای FR4 ممکن است ویژگیهای بهتری برای کاربردهای هوافضا نشان دهند.
پلیآمید و FR4 در زمینههای کلیدی برای بردهای مدار چاپی هوافضا با هم تفاوت دارند. یکی از تفاوتهای آشکار، انعطافپذیری است. پلیآمید مادهای انعطافپذیر است که برای بردهای انعطافپذیر و نیمهسخت (rigid-flex) به کار میرود. FR4 برای بردهای سخت (rigid) است. با این حال، پلیآمید اغلب از FR4 پایه مستحکمتر است. این امر دوام بهتری به پلیآمید میبخشد. اگر برای دماهای شدید و چرخههای حرارتی برنامهریزی میکنید، پلیآمید انتخاب اول است. هر دو ماده در برابر آلودگی مقاومت خوبی دارند.
انتخاب مناسب به مورد بستگی دارد. برای برخی سیستمها، پلیآمید بهترین است. برای برخی دیگر، کنترل حرارتی داخلی فضاپیما میتواند محیط را پایدار نگه دارد. در این صورت ممکن است FR4 کافی باشد. طراحی برد نیز تصمیم را تغییر میدهد. بردهای انعطافپذیر قواعد طراحی دارند که بسیار متفاوت است. برای مثال:
-
از ویاسها در نواحی خمیدگی خودداری کنید.
-
ردپاها را طوری قرار دهید که در قوسهای بلند خم شوند تا عمر را افزایش دهند.
-
برای کمک به خمش در محل تلاقیها، از فیلتهای مسی با زاویه ۴۵–۶۰ درجه استفاده کنید. (برخی سازندگان از زاویههای متفاوتی استفاده میکنند.)
-
تعداد لایهها را در مقابل شعاع خمش بررسی کنید.
-
از سایر مراحل طراحی برای کاهش ترکخوردگی مس استفاده کنید.
طراحان صنایع مختلف باید فرآیند انتخاب مواد را تطبیق دهند. در صنعت هوافضا این مرحله اهمیت بیشتری دارد. شما باید برای شرایط شدید برنامهریزی کنید.
استانداردهای صنعت هوافضا که در ساخت PCB کاربرد دارند
یک راهنمای کامل برای استانداردهای PCB هوافضا طولانی است. در زیر استانداردهای اصلی که باید بدانید آمده است:
-
ایزو ۹۱۰۰ — یک استاندارد پایهای برای سیستم مدیریت کیفیت. بسیاری از استانداردهای دیگر از تفکر ایزو نشأت میگیرند. این استاندارد بر نیازهای مشتری، مدیریت ارشد، فرآیندهای سیستم مدیریت کیفیت و بهبود مستمر تمرکز دارد.
-
AMS2750E — نیازهای دمای بالا برای تجهیزات عملیات حرارتی را پوشش میدهد. این شامل حسگرها، ابزارها و آزمونهای فرآیندهای حرارتی است.
-
AS478N — نشان میدهد که چه علامتهایی باید استفاده شوند و علائم را کجا روی قطعات هوافضا قرار دهید.
-
AS5553A — قواعدی را برای زنجیره تأمین قطعاتی که در پلتفرمهای هوافضا استفاده خواهند شد، تعیین میکند.
-
ایاس۹۰۰۶اِی — قواعدی را برای نرمافزار و پشتیبانی نرمافزاری که ممکن است بخشی از سامانههای فضاپیما باشند، تعیین میکند.
-
ایاس۹۱۰۰دی — نیازهای QMS را برای تأمینکنندگان هوافضا تعیین میکند. این شامل مراحل تولید درونسازمانی و برونسازمانی است. بر نیازهای مشتری تأکید دارد.
-
AS9101E — Shows how to audit and report QMS results.
-
AS9102B — Lists the First Article Inspection (FAI) baseline needs.
These aerospace standards cover areas that affect electronics and PCBs. You will also need to follow other rules that apply to your product or supply chain.
Why effective thermal conductivity of PCB matters in aerospace
Thermal control is a key issue for aerospace PCBA. Heat spread matters for all boards. In space, it is hard to move heat away by air. The vacuum makes heat transfer by air impossible. You can not fix a board that suffers thermal damage in space. So the risk is high. Overheating can make a board fail and stop the whole spacecraft from working. Your board design must include ways to make the PCB move heat away.
What is PCB effective thermal conductivity?
PCB effective thermal conductivity is the board’s ability to spread and remove extra heat. This keeps no area too hot. If a part or material gets too hot, it can fail early.
What happens if thermal conductivity is too low?
Low effective thermal conductivity can cause big problems:
-
Structural degradation
If the board’s temperature gets above a material’s limit, the board can deform or break down. Hot spots near high-power parts can form if heat does not move away. -
Component damage
Each part has a maximum temperature. If you exceed it, the part stops working or gets physical damage. -
Delamination
For multilayer boards, lamination presses layers into one structure. High temperature can break down the layers after deployment, depending on material choices. -
Fire
If extreme heat lasts long, parts or the board can ignite. Overheated insulators can arc and start a fire. This is a catastrophic result. It can destroy the board and other nearby parts.
Because of these risks, manufacturers must ensure good effective thermal conductivity for aerospace boards.
How to build aerospace PCBA for best thermal performance
Compared to ground systems, spacecraft systems cannot vent heat to the room. Electronics on a craft must move heat inside the system or to areas designed by the thermal control system (TCS). The TCS is part of the spacecraft design. To help the TCS, PCBA must remove extra heat. Use the guides below to do that well.
Thermal design guidelines for PCB effective conductivity
-
Know the temperature limits for your board in the target environment.
-
Use components that meet aerospace manufacturing standards.
-
Choose board materials that match space environment needs.
-
Run a thermal analysis on the design. This proves the board can shed heat.
-
Use special parts and materials when needed. For example, MMICs and ceramics often stand higher temperature than standard parts.
-
Follow the above steps for any board that needs high thermal performance.
These steps will help optimize the board’s ability to move heat away.
Summary and a note about Philifast
Space electronics must meet higher rules for durability and reliability. This makes their design and build different from most PCBs. These quality needs appear in the rules and standards that affect your work with a contract manufacturer (CM). Your CM should be part of the design from day one. They must make sure the boards, parts, and all processes meet or exceed aerospace standards.
Philifast offers design and manufacturing help for aerospace PCBs. We work with strict standards. We can help choose the right material, run thermal studies, and follow the needed quality checks. If you need help with aerospace PCB design, prototyping, or production, Philifast can support you from design to delivery.
Quick checklist for aerospace PCB projects
-
Plan for higher approval time when the product is mission-critical.
-
Pick materials with the needed strength and thermal traits.
-
Design flex zones carefully for rigid-flex or flex boards.
-
Run thermal analysis early.
-
Follow IPC and AS standards for aerospace use.
-
Use conformal coating and enclosure purge when needed.
If you want, فیلایفست can review your design and give feedback to make the board ready for aerospace use.