航空宇宙向けPCBアセンブリ：初心者向け究極ガイド

航空宇宙用PCBは、宇宙の過酷な環境に耐えられるよう、丹念に製造されています。これらの回路基板はどのように組み立てられているのでしょうか？この記事では、航空宇宙用PCBが航空機、宇宙船、衛星の重要なシステムにどのように組み込まれているかをご紹介します。PCBは、航法や通信の制御に加え、エンジン機能や計器類の管理といった、かけがえのない役割を果たしています。

ビジネス・リサーチ・カンパニーが発行したレポートによると、航空宇宙および防衛向けPCB市場は1.38年までに2024億XNUMX万ドル規模に成長すると予測されている。

航空宇宙の過酷な環境では、PCBの設計と製造に独自のアプローチが求められます。ジェットエンジンの排気ガスに近接する高温や放射線への曝露は、航空宇宙用途に重大な影響を及ぼします。

これらのアセンブリの品質と安全基準とは、故障が壊滅的な結果につながる可能性があるため、そのことを指します。また、IPCクラス3（電子アセンブリの最高レベルの信頼性）やAS/EN 9100など、最も関連性の高い業界標準と認証についても説明します。

航空宇宙向け PCB アセンブリではなぜ高い信頼性が不可欠なのでしょうか?

航空宇宙用途においては、ミスは許されません。例えば、市販製品に欠陥部品があっても、ユーザーに不便をもたらす程度でしょう。しかし、航空宇宙用PCBアセンブリに不具合があれば、壊滅的な結果を招く可能性があります。だからこそ、この分野において最高レベルの信頼性を確保することが、これまで以上に重要になっているのです。

理由を見てみましょう:

生命と財産の安全:

旅客機から軍用機、宇宙船に至るまで、航空宇宙システムは貴重な人命を運び、数十億ドル規模の投資を伴います。たった一つのPCBの故障が、次のような一連の事象を引き起こす可能性があります。

1. 重大なシステムシャットダウン

2. 制御不能

3. 構造上の欠陥。

例えば、飛行制御システムのPCBの故障は航空機の墜落につながる可能性があります。また、宇宙船のナビゲーションPCBの軽微な故障は、宇宙飛行士の安全を脅かす可能性があります。

航空安全ネットワークの統計 https://asn.flightsafety.org/database/ 2022年だけでも民間旅客機に関わる事故が42件発生しており、まれな故障であっても潜在的な影響があることが浮き彫りになっています。

極端な環境条件

航空宇宙向けPCBアセンブリは過酷な環境に耐えなければなりません。信頼性に関する主要な課題は、いくつかの異なるカテゴリーに分類されます。

• 極端な温度: 航空宇宙用PCBは、灼熱（300℃以上）から極寒（-260℃）まで、非常に広い温度範囲で動作する必要があります。このような極端な膨張と収縮は部品にストレスを与え、車両の振動による経年劣化や熱サイクルによるはんだ接合不良など、疲労破壊を引き起こします。また、高温は部品の故障を早め、PCBの寿命を早めます。
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• 強烈な振動: 宇宙船のシステムは、15G を超える非常に高いレベルの振動にさらされるため、はんだ接合部やコネクタに大きなストレスがかかり、ひび割れや破損が生じる可能性があります。
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• 放射線被ばく： 軌道上では、個々の高エネルギー放射線粒子が電子機器を破壊します。この放射線は、個々の部品の電気的挙動を変化させたり、永久的な損傷を引き起こしたり、データエラーにつながる可能性があります。
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• 大きな圧力の変化: 急激な圧力変化により、PCB ラミネート内に閉じ込められた空気の結合が損なわれ、層間剥離 (グラスファイバー層が接着しなくなる) が発生する可能性があります。

失敗のコスト:

航空宇宙用途では、故障時のコストは、単に故障したPCBを交換するよりもはるかに高くなります。宇宙船の重要システムにおけるたった1枚のPCBの故障は、数十億ドル規模のミッションの終焉を意味する可能性があります。

航空機内のPCBが故障した場合、航空会社は複数のフライトが欠航や遅延に見舞われ、財政的に破綻することになります。PCBの故障が報告されれば、ほとんどの場合、すべての航空会社が捜索活動に追われ、多額の費用がかかる可能性があります。

航空宇宙向けPCBアセンブリの製造手順

M素材の選択基板と部品の熱膨張係数（CTE）のマッチングにより、温度変化によるストレスを最小限に抑えます。高安定性先進材料の候補としてポリイミドが挙げられます。

部品の検査: 組成はXRF（蛍光X線分析）を用いて検証済みです。結晶構造と純度はXRD（X線回折）によって裏付けられています。部品の表面アウトガス測定とSEL感受性試験を実施しました。特殊な鉛仕上げにより、はんだ付け性が最適化され、腐食が低減されています。

DI水リンス（オプション） — 低イオン汚染を実現するため、抵抗率は18MOhms/cmを超えます。唯一の違いは、ろ過後に超純水が得られることです。多段階の窒素リンスにより、完全なクリーンな真空状態が保証されます。

ステンシル印刷: ペーストを正確に配置するための±10ミクロンのレーザーカットステンシル開口部。圧力プロファイリングによりウェハとペーストの接触を最適化し、ペーストの均一な転写を実現。はんだペーストの粘度に合わせた印刷設定。

ピックアンドプレース高解像度ビジョンシステムを使用し、+/- 25ミクロンの精度でファインピッチ部品配置を実現します。温度と湿度を一定に保つことで、配置のずれを軽減します。

リフローはんだ付け窒素中の酸素濃度を200ppm未満に抑えることで、はんだの酸化を抑制できます。温度上昇率と液中滞留時間を適切に制御することで、正確なリフロープロファイルに最適な接合部を形成します。

X線検査 - コーンビーム技術は、2.5D合成により、実際のはんだ接合部の実空間における可視化を大幅に向上させます。ボイドやカバレッジ不足の検出には自動化が活用され、IMC層の同一バリエーションも利用できます。

3D AOI: 多角度照明を用いて部品と接合部を検査します。高度なアルゴリズムにより、リード線の引き抜きやピンのわずかなショート不良も検出します。

航空宇宙向けPCB設計規格 

基質： 高性能CTE制御FR-4、極限温度対応の純ポリイミドまたは金属コア。高電流、ヒートシンク、大型銅配線。

コンポーネント： 温度、放射振動、衝撃に対する宇宙用材料。強度を高めるために TH を推奨。SMT はオプションで許可されます。

リジッドフレックスと多層スタックアップ高度なシグナルインテグリティ解析。インピーダンストレースの制御、電源/グランドプレーンの慎重な配置。高電圧対応の高絶縁レベル

レイアウト： 部品を戦略的に配置し、配線が短くなるようにし、ノイズのカップリングを避けます。ビアはシグナルインテグリティと4. デカップリングコンデンサをあらゆる場所に使用します。

これには、自動設計ルールチェック（DRC）と電気ルールチェック（ERC）の実行が含まれており、製造上の重大な欠陥や電気的な問題を検出します。UXが製造能力と電気特性に合致しているかどうかを検証します。

ドキュメント： 明確に描かれた回路図、部品表、各層のスタックアップ。設計データはリンクされており、仕様を完全に一致させることができます。

航空宇宙向けPCBアセンブリには、エラーや故障は許されません。簡潔に言えば「はい」ですが、詳細に言えば、最高レベルの信頼性と安全性を確保するには、これらのアセンブリは厳格な品質規制を満たす必要があります。

航空宇宙向け PCB アセンブリにはどのような規格と認証が必要ですか?

IPC規格:

IPC-A-610 クラス3: これは、電子機器組立の受入要件全体のベンチマークとして業界全体で認められている規格です。クラス3：これは最高レベルの検査です。さらに、はんだ付け基準に加えて、厳格な基準も求められます。

その他の IPC 標準:

· IPC-6012（リジッドプリント基板の適格性および性能要件）

· IPC-WHMA-A-620（電子アセンブリの受入れ要件）

これらの規格は、組み立てに関連する PCB 製造の特定の領域をチェックするのに適しています。

品質管理システムの基準

AS/EN 9100 (または FAA AC-00-56): ISO 9001 から派生した、航空宇宙産業向けに特別に作成された複雑な品質管理規格です。1 つ目は、すべての製造ライフサイクルにおいて、継続的な改善 (カイゼン)、リスク軽減、および厳格なプロセス制御の文化を説いていることです。

Nadcap（国家航空宇宙・防衛関連請負業者認証プログラム）：この業界主導のプログラムは、PCB組立を含む様々な特定工程を実施するサプライヤーに認証を提供します。Nadcap監査は、製造業者が航空宇宙・防衛関連サプライヤーの厳しい要求を満たすために必要な幅広い知識、専門設備、そして厳格な品質管理を備えているかどうかを判定します。

航空宇宙向けPCBアプリケーション

飛行制御: PCB は、パイロットからの信号、センサー (加速度計および/またはジャイロ) からのデータなどを解釈し、航空機のコントロール (エルロンとフラップ (速度)、ラダー (ヨーステアリング)) を動かして安定した飛行に影響を与えます。

ナビゲーション - PCB は、GPS (全地球測位システム) や慣性などのセンサーを使用して、安全に移動できるほど正確に位置と方向を計算できます。

Communication: 飛行機や宇宙船間のデータ共有、ミッションコントロール、クリアな音声チャットがこのようにうまくいきます。

航空宇宙: 数百の PCB がコックピット内の計器、エンジン制御装置、ディスプレイに電力を供給し、パイロットに飛行データの瞬間スナップショットを提供します。

衛星/宇宙船PCB は、電力 (発電、配電、制御)、地上局との通信や衛星群内の宇宙船間の通信、およびすべての障害検出診断を処理します。

打ち上げロケットPCB は、搭載されているエンジンの点火、安全な打ち上げのための計器とデータの適切な利用を保証します。

PCBasic - オールインワン航空宇宙PCBアセンブリメーカー

高価値の組み立てが必要ですか? PCBasic は、航空宇宙向け PCB の製造および組み立てにおいて優れたサービスを提供しています。 私たちは、お客様固有のニーズ、つまり設計、フォームファクター、パッケージングの独自性を重視しています。複雑な電気機械アセンブリから、非常に堅牢なシステム統合、そして完全な製品パッケージに至るまで、最先端技術を駆使して対応いたします。

当社は航空宇宙組立向けに以下の PCB 製造サービスを提供しています。

表面実装PCBアセンブリ（SMT）

スルーホールPCBアセンブリ

フレックスPCBアセンブリ

結論

したがって、航空宇宙用PCBアセンブリは単なるプリント回路基板の塊ではありません。原材料の選定から最終製品の製造、そして極めて高い品質基準の遵守に至るまで、あらゆる工程がこれらのアセンブリに投入されます。さらに、宇宙や航空という過酷な環境下においても高い信頼性を誇ります。その用途は航空宇宙機のミッションの全範囲に及び、ナビゲーション、通信、制御といった重要なサービスをバックグラウンドで静かに提供し続けています。