Leiterplatten für die Luft- und Raumfahrt werden sorgfältig hergestellt, um den rauen Bedingungen im Weltraum standzuhalten. Wie werden diese Leiterplatten bestückt? In diesem Artikel erfahren Sie, wie Leiterplatten für die Luft- und Raumfahrt in lebenswichtige Systeme von Flugzeugen, Raumfahrzeugen und Satelliten integriert werden. Sie steuern Navigation und Kommunikation sowie die Steuerung von Triebwerksfunktionen und Instrumentierung, die unersetzlich sind.
Laut einem Bericht der Business Research Company wird der Markt für Leiterplatten in der Luft- und Raumfahrt sowie im Verteidigungsbereich bis 1.38 voraussichtlich 2024 Milliarden US-Dollar erwirtschaften.
Die rauen Umgebungsbedingungen in der Luft- und Raumfahrt erfordern einen einzigartigen Ansatz bei der Entwicklung und Herstellung von Leiterplatten. Die hohen Temperaturen in der Nähe von Triebwerksabgasen und die Strahlenbelastung wirken sich erheblich auf Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt aus.
Mit Qualitäts- und Sicherheitsstandards für diese Baugruppen meine ich, denn ein Ausfall kann katastrophale Folgen haben. Sie finden hier auch einige der wichtigsten Industrienormen und Zertifizierungen wie IPC Klasse 3 (höchste Zuverlässigkeitsstufe für elektronische Baugruppen) und AS/EN 9100.
Warum ist hohe Zuverlässigkeit bei der Leiterplattenmontage in der Luft- und Raumfahrt so wichtig?
Bei Luft- und Raumfahrtanwendungen ist kein Platz für Fehler. Während ein defektes Teil beispielsweise in einem kommerziellen Produkt lediglich Unannehmlichkeiten für den Benutzer verursachen kann, kann der Ausfall einer Leiterplatte in der Luft- und Raumfahrt verheerende Folgen haben. Deshalb wird höchste Zuverlässigkeit in diesem speziellen Bereich immer wichtiger.
Schauen wir uns die Gründe an:
Sicherheit von Leben und Eigentum:
Luft- und Raumfahrtsysteme, von Passagierflugzeugen über Militärflugzeuge bis hin zu Raumfahrzeugen, transportieren wertvolle menschliche Fracht und stellen Investitionen in Milliardenhöhe dar. Ein einziger PCB-Ausfall kann eine ganze Kette von Ereignissen auslösen, die zu Folgendem führen:
1. Ein kritischer Systemausfall
2. Kontrollverlust
3. Strukturelles Versagen.
So kann beispielsweise eine Fehlfunktion der Leiterplatte eines Flugsteuerungssystems zu einem Flugzeugabsturz führen. Und ein kleiner Fehler in der Navigations-Leiterplatte eines Raumfahrzeugs kann die Sicherheit der Astronauten gefährden.
Statistiken des Aviation Safety Network https://asn.flightsafety.org/database/ zeigen, dass es allein im Jahr 2022 zu 42 Unfällen mit kommerziellen Passagierflugzeugen kam, was die möglichen Folgen selbst seltener Ausfälle verdeutlicht.
Extreme Umweltbedingungen
Leiterplattenbaugruppen für die Luft- und Raumfahrt müssen rauen Umgebungsbedingungen standhalten. Die wichtigsten Herausforderungen hinsichtlich der Zuverlässigkeit lassen sich in verschiedene Kategorien einteilen:
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Temperaturextreme: Ob glühende Hitze (über 300 °C) oder Kälte (-260 °C): Leiterplatten in der Luft- und Raumfahrt müssen einem enormen Temperaturspektrum standhalten. Solche extremen Ausdehnungen und Kontraktionen belasten die Bauteile und können zu Ermüdungsbrüchen führen, die durch Fahrzeugvibrationen oder durch Temperaturwechselbeanspruchung entstehen können. Hohe Temperaturen beschleunigen zudem den Bauteilausfall und verkürzen so die Lebensdauer der Leiterplatte.
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Intensive Vibrationen: Raumfahrzeugsysteme sind sehr starken Vibrationen ausgesetzt, oft über 15 G, wodurch Lötverbindungen und Anschlüsse so stark beansprucht werden können, dass sie reißen oder brechen.
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Strahlenbelastung: Im Orbit treffen einzelne hochenergetische Strahlungsteilchen Elektronik. Diese Strahlung kann das elektrische Verhalten einzelner Komponenten verändern oder dauerhafte Schäden auslösen und zu Datenfehlern führen.
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Große Druckänderungen: Eine schnelle Druckänderung kann die Bindung der in einem PCB-Laminat eingeschlossenen Luft beeinträchtigen und zu einer Delaminierung führen (Glasfaserschichten haften nicht mehr zusammen).
Kosten des Scheiterns:
In der Luft- und Raumfahrt sind die Kosten eines Ausfalls weitaus höher als der bloße Austausch einer defekten Leiterplatte. Ein einziger Leiterplattenausfall in einem kritischen System eines Raumfahrzeugs kann das Ende einer milliardenschweren Mission bedeuten.
Ein Ausfall einer Leiterplatte im Flugzeug führt zu finanziellen Einbußen für die Fluggesellschaft, da zahlreiche Flüge gestrichen oder verspätet sind. Ein gemeldeter Leiterplattenfehler führt in den meisten Fällen zu einer Suche und möglicherweise zu kostspieligen Nachforschungen.
Fertigungsschritte bei der Leiterplattenmontage in der Luft- und Raumfahrt
MMaterialauswahl: Minimieren Sie die Belastung durch Temperaturschwankungen durch die Anpassung des Substrats an den CTE des Bauteils. Polyimid als Kandidat für hochstabile, fortschrittliche Materialien
Inspektion der Komponente: Die Zusammensetzung wurde mithilfe von XRF verifiziert. Kristallographische Struktur und Reinheit wurden durch XRD bestätigt. Messungen der Oberflächenausgasung und SEL-Empfindlichkeitsprüfungen an Komponenten wurden durchgeführt. Die Lötbarkeit wurde optimiert und Korrosion durch spezielle Bleibeschichtungen reduziert.
Spülung mit deionisiertem Wasser (optional) — Widerstand > 18 MOhm/cm für geringe ionische Kontamination. Der einzige Unterschied besteht darin, dass nach der Filtration ultrareines deionisiertes Wasser entsteht. Eine mehrstufige Stickstoffspülung garantiert ein vollständig sauberes Vakuum.
Schablonendruck: Präzise +-10 Mikrometer lasergeschnittene Schablonenöffnungen für präzises Platzieren der Paste. Druckprofilierung für optimierten Wafer-Paste-Kontakt und dadurch gleichmäßige Pastenübertragung. Druckeinstellungen für die Viskosität der Lötpaste
Pick-and-Place: Feinraster-Bauteilplatzierung mit einer Genauigkeit von +/- 25 Mikrometern durch den Einsatz hochauflösender Bildverarbeitungssysteme. Hält Temperatur und Luftfeuchtigkeit konstant, wodurch Verschiebungen bei der Platzierung reduziert werden.
Reflow-LötenEine Atmosphäre mit weniger als 200 ppm Sauerstoff in Stickstoff kann dazu beitragen, die Oxidation des Lots zu vermeiden. Kontrollierte Anstiegsraten und Verweilzeiten in Flüssigkeiten bilden ideale Verbindungen für ein präzises Reflow-Profil.
Röntgeninspektion - Die Cone-Beam-Technologie bietet eine 2.5D-Synthese für eine deutlich verbesserte Visualisierung der tatsächlichen Lötstellen im realen, physischen Raum. Die Erkennung von Hohlräumen und unzureichender Abdeckung erfolgt automatisiert, ebenso wie identische IMC-Schichtvariationen.
3D-AOI: Komponenten und Verbindungen werden mithilfe einer Mehrwinkelbeleuchtung geprüft. Ausgefeilte Algorithmen erkennen gezogene Leitungen und kleinste Pin-Kurzschlüsse.
PCB-Designstandards für die Luft- und Raumfahrt
Substrat: Hochleistungsfähiger CTE-kontrollierter FR-4-Kern aus reinem Polyimid oder Metall für extreme Temperaturen. Hoher Strom, Kühlkörper; größere Kupferspuren.
Komponenten: Weltraummaterialien für Temperatur, Strahlung, Vibration und Stoß. Bevorzugt TH für zusätzliche Festigkeit, SMT optional zulässig.
Rigid-Flex und Mehrschichtaufbau: Erweiterte Signalintegritätsanalyse. Kontrollierte Impedanzspuren, sorgfältige Platzierung der Strom-/Masseflächen. Zusätzliche Isolationsebenen (höhere Spannungen)
Layout: Platzieren Sie Komponenten strategisch, um kurze Wege zu gewährleisten und Rauschkopplungen zu vermeiden. Vias dienen der Signalintegrität und 4. Entkopplungskappen, überall Decaps
Dazu gehört die Durchführung automatisierter Design Rule Checks (DRCs) und Electrical Rule Checks (ERCs), um schwerwiegende Fertigungsfehler oder elektrische Probleme zu erkennen. Überprüfen Sie, ob UX mit den Fertigungskapazitäten und den elektrischen Eigenschaften übereinstimmt.
Dokumentation: Übersichtliche Schemata, Stücklisten und der Aufbau jeder einzelnen Schicht. Verknüpfte Konstruktionsdaten für eine perfekte Übereinstimmung mit den Spezifikationen
Bei Leiterplattenbaugruppen für die Luft- und Raumfahrt ist kein Platz für Fehler und Ausfälle. Die kurze Antwort lautet: Ja, die lange Antwort: Um ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit und Sicherheit zu gewährleisten, müssen diese Baugruppen strenge Qualitätsvorschriften erfüllen.
Welche Standards und Zertifizierungen sind für die Leiterplattenmontage in der Luft- und Raumfahrt erforderlich?
IPC-Standards:
IPC-A-610 Klasse 3: Dies ist ein branchenweiter Standard, der als Maßstab für die Abnahmeanforderungen an Elektronikbaugruppen gilt. Klasse 3: Dies ist die höchste Prüfstufe. Darüber hinaus erfordert sie mindestens hohe Lötkriterien.
Weitere IPC-Standards, wie zum Beispiel:
· IPC-6012 (Qualifikations- und Leistungsanforderungen für starre Leiterplatten)
· IPC-WHMA-A-620 (Anforderungen für die Abnahme elektronischer Baugruppen)
Diese Normen eignen sich gut, um bestimmte, für die Montage relevante Bereiche in der Leiterplattenfertigung zu überprüfen.
Standards für ein Qualitätsmanagementsystem
AS/EN 9100 (oder FAA AC-00-56): Abgeleitet von ISO 9001 ist dies ein komplexer Qualitätsmanagementstandard, der speziell für die Luft- und Raumfahrtindustrie entwickelt wurde. Erstens: In jedem Produktionslebenszyklus propagiert er eine Kultur der kontinuierlichen Verbesserung (Kaizen), der Risikominimierung und einer strengen Prozesskontrolle.
Nadcap (National Aerospace and Defense Contractors Accreditation Program): Dieses branchengeführte Programm akkreditiert Lieferanten, die verschiedene spezifische Prozesse durchführen, darunter auch die Leiterplattenmontage. Die Nadcap-Audits prüfen, ob Hersteller über das erforderliche Fachwissen, die Spezialausrüstung und die strengen Qualitätskontrollen verfügen, um die hohen Anforderungen von Zulieferern in der Luftfahrt zu erfüllen.
PCB-Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt
Flugsteuerung: Die Leiterplatte interpretiert Signale vom Piloten und Daten von Sensoren (Beschleunigungsmesser und/oder Kreisel) und sorgt durch Bewegen der Flugzeugsteuerung (Querruder und Klappen (Geschwindigkeit), Seitenruder (Giersteuerung)) für einen stabilen Flug.
Navigation - PCBs können mithilfe von Sensoren wie GPS (Global Positioning System) oder Trägheitssensoren Position und Ausrichtung präzise genug berechnen, um sicher reisen zu können.
Kommunikation: So gut funktionieren Datenaustausch, Missionskontrolle und klarer Sprachchat zwischen Flugzeugen oder Raumfahrzeugen!
Avionik: Hunderte von Leiterplatten versorgen Instrumente, Motorsteuerungen und Anzeigen im Cockpit mit Strom und liefern den Piloten eine sofortige Momentaufnahme der Flugdaten.
Satelliten/Raumfahrzeuge: Leiterplatten übernehmen die Stromversorgung (Erzeugung, Verteilung und Steuerung), die Kommunikation mit Bodenstationen/zwischen Raumfahrzeugen in der Konstellation sowie die gesamte Fehlererkennungsdiagnose.
Trägerraketen: PCBs gewährleisten die Zündung der eingebauten Triebwerke sowie die ordnungsgemäße Nutzung der Instrumente und Daten für einen sicheren Start.
PCBasic – All-in-One-Hersteller von Leiterplattenbaugruppen für die Luft- und Raumfahrt
Sie benötigen eine hochwertige Montage? PCBasic bietet außergewöhnliche Dienstleistungen im Bereich der Herstellung und Montage von Leiterplatten für die Luft- und Raumfahrt. Wir konzentrieren uns auf kundenspezifische Anforderungen, die in Design, Formfaktor und Verpackung einzigartig sind. Von komplexen elektromechanischen Baugruppen über hochrobuste Systemintegration bis hin zur kompletten Produktverpackung setzen wir modernste Technologie ein.
Wir bieten folgende Leiterplattenfertigung für die Luft- und Raumfahrtmontage an:
Oberflächenmontierte Leiterplattenmontage (SMT)
Durchgangsloch-Leiterplattenmontage
Flex-Leiterplattenmontage
Fazit
Leiterplattenbaugruppen für die Luft- und Raumfahrt bestehen daher nicht nur aus einzelnen Leiterplatten. Von der Auswahl der Rohstoffe bis zur Herstellung des Endprodukts und der Einhaltung höchster Qualitätsstandards durchlaufen diese Baugruppen alles. Darüber hinaus sind sie in den rauen Umgebungen der Luft- und Raumfahrt äußerst zuverlässig. Ihre Anwendungen decken das gesamte Spektrum der Missionen von Luft- und Raumfahrzeugen ab und arbeiten im Hintergrund, um wichtige Dienste wie Navigation, Kommunikation und Steuerung zu gewährleisten.
