Printplaten voor de lucht- en ruimtevaart worden zorgvuldig vervaardigd om bestand te zijn tegen de zware omstandigheden in de ruimte. Hoe worden deze printplaten geassembleerd? In dit artikel leest u hoe printplaten voor de lucht- en ruimtevaart worden geïntegreerd in essentiële systemen in vliegtuigen, ruimtevaartuigen en satellieten. Ze regelen navigatie en communicatie, en beheren motorfuncties en instrumentatie, die onvervangbaar zijn.
Volgens een rapport van The Business Research Company wordt verwacht dat de PCB-markt voor de lucht- en ruimtevaart tegen 1.38 een omzet van 2024 miljard dollar genereert.
De zware omstandigheden in de lucht- en ruimtevaart vereisen een unieke aanpak voor het ontwerp en de productie van PCB's. De hoge temperaturen in de buurt van uitlaatgassen van straalmotoren en de blootstelling aan straling hebben een aanzienlijke impact op toepassingen in de lucht- en ruimtevaart.
Met kwaliteits- en veiligheidsnormen voor deze assemblages bedoel ik dat een storing catastrofale gevolgen kan hebben. U zult ook enkele van de meest relevante industrienormen en certificeringen lezen, zoals IPC Klasse 3 (hoogste betrouwbaarheidsniveau voor elektronische assemblages) en AS/EN 9100.
Waarom is hoge betrouwbaarheid essentieel bij de assemblage van PCB's in de lucht- en ruimtevaart?
Er is geen ruimte voor fouten in lucht- en ruimtevaarttoepassingen. Terwijl een defect onderdeel in bijvoorbeeld een commercieel product alleen maar ongemak voor de gebruiker kan veroorzaken, kan een defect aan een printplaat in de lucht- en ruimtevaart verwoestende gevolgen hebben. Daarom wordt de hoogste mate van betrouwbaarheid op dit specifieke gebied steeds belangrijker.
Laten we eens naar de redenen kijken:
Veiligheid van mensenlevens en eigendommen:
Lucht- en ruimtevaartsystemen, van passagiersvliegtuigen tot militaire vliegtuigen en ruimtevaartuigen, vervoeren kostbare menselijke vracht en vertegenwoordigen miljarden dollars aan investeringen. Eén enkele printplaatstoring kan een cascade van gebeurtenissen veroorzaken die kunnen leiden tot:
1. Een kritieke systeemuitschakeling
2. Verlies van controle
3. Structureel falen.
Een storing in de printplaat van een vluchtbesturingssysteem kan bijvoorbeeld leiden tot een vliegtuigcrash. Een kleine storing in de navigatieprintplaat van een ruimtevaartuig kan de veiligheid van astronauten in gevaar brengen.
Statistieken van het Aviation Safety Network https://asn.flightsafety.org/database/ onthullen dat er alleen al in 2022 42 ongelukken plaatsvonden met commerciële passagiersvliegtuigen, wat de mogelijke gevolgen van zelfs zeldzame storingen benadrukt.
Extreme omgevingsomstandigheden
PCB-assemblages in de lucht- en ruimtevaart moeten bestand zijn tegen zware omstandigheden. Betrouwbaarheidsaspecten vormen de belangrijkste uitdagingen en vallen in verschillende categorieën uiteen:
-
Extreme temperaturen: Of het nu gaat om de zinderende hitte (meer dan 300 °C) of de kou (-260 °C), printplaten voor de lucht- en ruimtevaart moeten binnen een enorm temperatuurspectrum functioneren. Zulke extreme uitzetting en krimp resulteren in spanning op componenten, wat kan leiden tot vermoeiingsbreuken door trillingen van voertuigen of slechte soldeerverbindingen door thermische cycli. Hoge temperaturen zorgen er bovendien voor dat componenten sneller kapot gaan en dus sneller aan het einde van hun levensduur komen.
-
-
Intense trillingen: Ruimtevaartuigsystemen worden blootgesteld aan zeer hoge trillingsniveaus, vaak meer dan 15G, waardoor soldeerpunten en connectoren zo zwaar belast kunnen worden dat ze scheuren of breken.
-
-
Blootstelling aan straling: In een baan om de aarde raken individuele hoogenergetische stralingsdeeltjes elektronica. Deze straling kan het elektrische gedrag van afzonderlijke componenten veranderen, permanente schade veroorzaken en leiden tot datafouten.
-
-
Grote drukveranderingen: Een snelle drukverandering kan de verbinding van de lucht die in een PCB-laminaat zit, verstoren en leiden tot delaminatie (glasvezellagen die niet aan elkaar plakken).
Kosten van falen:
In een lucht- en ruimtevaarttoepassing zijn de kosten van een defecte printplaat veel hoger dan alleen het vervangen van een defecte printplaat. Eén defecte printplaat in het kritieke systeem van een ruimtevaartuig kan het einde betekenen van een miljarden kostende missie.
Als een PCB in een vliegtuig defect raakt, leidt dit tot financiële problemen voor luchtvaartmaatschappijen, met meerdere geannuleerde en vertraagde vluchten tot gevolg. Een defect aan een PCB zou er in de meeste gevallen toe leiden dat iedereen op zoek gaat naar een geschikte locatie, wat mogelijk kostbare zoekacties met zich meebrengt.
Productiestappen in de assemblage van PCB's in de lucht- en ruimtevaart
Mmateriaalselectie: Minimaliseer de spanning door temperatuurschommelingen tussen het substraat en de CTE van het component. Polyimide, als kandidaat voor geavanceerde materialen met hoge stabiliteit
Inspectie van component: Samenstelling geverifieerd met behulp van XRF. Kristallografische structuur en zuiverheid zijn ondersteund door XRD. Metingen van oppervlakte-uitgassing en SEL-gevoeligheidstesten in componenten. De soldeerbaarheid is geoptimaliseerd en corrosie wordt verminderd met speciale loodafwerkingen.
Spoelen met gedeïoniseerd water (optioneel) — Resistiviteit > 18 MOhm/cm voor lage ionische verontreiniging. Het enige verschil is dat het na filtratie resulteert in ultrazuiver DI-water. Een meertraps stikstofspoeling garandeert een volledig schoon vacuüm.
Stencilprinten: Nauwkeurige lasergesneden stencilopeningen van +-10 micron voor het nauwkeurig aanbrengen van pasta. Drukprofilering voor geoptimaliseerd wafer-tot-pasta contact en daardoor consistente pastaoverdracht. Printinstellingen voor de viscositeit van soldeerpasta.
Pick-n-Place: Nauwkeurige plaatsing van componenten met een precisie van +/- 25 micron dankzij hoge-resolutie vision-systemen. Handhaaft een constante temperatuur/vochtigheid, waardoor verschuivingen in de plaatsing worden verminderd.
Reflow solderenEen atmosfeer met minder dan 200 ppm zuurstof in stikstof kan oxidatie van soldeer helpen voorkomen. Gecontroleerde hellingssnelheden en tijd in vloeistof vormen verbindingen die ideaal zijn voor een nauwkeurig reflowprofiel.
Röntgeninspectie - Cone Beam-technologie biedt 2.5D-synthese voor een drastisch verbeterde visualisatie van de daadwerkelijke soldeerpunten in de echte, fysieke ruimte. Detectie van gaten en onvoldoende dekking maakt gebruik van automatisering, evenals identieke IMC-laagvariaties.
3D AOI: Componenten en verbindingen worden geïnspecteerd met behulp van multi-hoekverlichting. Geavanceerde algoritmen detecteren losgetrokken kabels en de kleinste pin-kortsluitingen.
PCB-ontwerpnormen voor de lucht- en ruimtevaart
Substraat: Hoogwaardige CTE-gecontroleerde FR-4. Extreme temperaturen, zuivere polyimide of metalen kern. Hoge stroomsterkte, koellichaam; grotere kopersporen.
Componenten: Ruimtematerialen voor temperatuur, straling, trillingen en schokken. TH heeft de voorkeur voor extra sterkte, SMT is optioneel toegestaan.
Rigid-Flex en meerlaagse stapelingGeavanceerde analyse van signaalintegriteit. Gecontroleerde impedantiesporen, zorgvuldige plaatsing van de voedings-/aardingsvlakken. Extra isolatieniveaus (hogere spanningen).
Indeling: Plaats componenten strategisch zodat de routes kort zijn; vermijd ruiskoppeling. Via's worden gebruikt voor signaalintegriteit en 4. Ontkoppelingscondensatoren, overal decondensatoren
Dit omvat het uitvoeren van geautomatiseerde ontwerpregelcontroles (DRC's) en elektrische regelcontroles (ERC's) om te zoeken naar vervelende productiefouten of elektrische problemen. Valideer de UX-match tussen de productiecapaciteiten en elektrische eigenschappen.
Documentatie: Duidelijk getekende schema's, stuklijsten en de stapeling van elke laag. Ontwerpgegevens gekoppeld voor een perfecte specificatiematch.
Er is geen ruimte voor fouten en storingen in PCB-assemblages voor de lucht- en ruimtevaart. Het korte antwoord is ja, maar het lange antwoord is: om de hoogst mogelijke betrouwbaarheid en veiligheid te garanderen, moeten deze assemblages voldoen aan strenge kwaliteitsvoorschriften.
Welke normen en certificeringen zijn vereist voor de assemblage van PCB's in de lucht- en ruimtevaart?
IPC-normen:
IPC-A-610 Klasse 3: Dit is een industriebrede standaard die wordt geaccepteerd als maatstaf voor de acceptatie-eisen voor elektronica-assemblage. Klasse 3: Dit is de meest geavanceerde inspectie. Bovendien vereist deze klasse minimaal strenge soldeercriteria.
Andere IPC-normen, zoals:
· IPC-6012 (Kwalificatie- en prestatievereisten voor stijve printplaten)
· IPC-WHMA-A-620 (Vereisten voor acceptatie van elektronische assemblages)
Deze normen zijn nuttig om specifieke gebieden in de PCB-fabricage te controleren die relevant zijn voor assemblage.
Normen voor een kwaliteitsmanagementsysteem
AS/EN 9100 (of FAA AC-00-56): Afgeleid van ISO 9001, is dit een complexe norm voor kwaliteitsmanagement die speciaal is opgesteld voor de lucht- en ruimtevaartindustrie. Ten eerste: in elke productiecyclus predikt het een cultuur van continue verbetering (kaizen), risicobeperking en strikte procescontrole.
Nadcap (National Aerospace and Defense Contractors Accreditation Program): Dit door de industrie geleide programma biedt accreditatie aan leveranciers die diverse specifieke processen uitvoeren, waaronder PCB-assemblage. De Nadcap-audits bepalen of fabrikanten over de brede kennis, gespecialiseerde apparatuur en strenge kwaliteitscontroles beschikken die nodig zijn om te voldoen aan de strenge eisen van leveranciers in de luchtvaartsector.
PCB-toepassingen in de lucht- en ruimtevaart
Vluchtbesturing: De PCB interpreteert signalen van de piloot, gegevens van sensoren (versnellingsmeters en/of gyroscopen) en zorgt voor een stabiele vlucht door de besturingselementen van het vliegtuig te bewegen (rolroeren en flaps (snelheid), roeren (gierbesturing)).
Navigatie - PCB's kunnen de positie en oriëntatie nauwkeurig genoeg berekenen om veilig te kunnen reizen. Ze gebruiken daarvoor sensoren als GPS (Global Positioning System) of inertiële sensoren.
Communicatie: Zo goed gaat het delen van gegevens, de controle over de missie en de heldere spraakcommunicatie tussen vliegtuigen en ruimtevaartuigen!
AvionicsHonderden printplaten voeden instrumenten, motorbedieningen en displays in de cockpit en bieden piloten direct een momentopname van de vluchtgegevens.
Satellieten/ruimtevaartuigen:PCB's verzorgen de energievoorziening (opwekking, distributie en controle), de communicatie met grondstations/tussen ruimtevaartuigen in een constellatie en alle diagnostiek voor het detecteren van storingen.
Lanceervoertuigen:PCB's zorgen voor de ontsteking van de aanwezige motoren en het juiste gebruik van instrumenten en gegevens voor een veilige lancering.
PCBasic - Alles-in-één fabrikant van PCB-assemblage voor de lucht- en ruimtevaart
Heeft u hoogwaardige assemblage nodig? PCBasic levert uitzonderlijke diensten op het gebied van PCB-productie en -assemblage voor de lucht- en ruimtevaart. We richten ons op klantspecifieke behoeften, uniek in ontwerp, vormfactor en verpakking. Van complexe elektromechanische assemblage tot zeer robuuste systeemintegratie en complete productverpakkingen, we integreren state-of-the-art technologie.
Wij bieden de volgende PCB-productie voor assemblage in de lucht- en ruimtevaart:
Opbouw PCB-assemblage (SMT)
Doorlopende printplaatmontage
Flex Pcb-assemblage
Conclusie
PCB-assemblages voor de lucht- en ruimtevaart zijn dus niet zomaar losse printplaten. Alles, van de selectie van de grondstoffen tot de productie van het eindproduct en het voldoen aan zeer hoge kwaliteitsnormen, komt aan bod in deze assemblages. Bovendien zijn ze zeer betrouwbaar in de zeer zware omstandigheden van de ruimtevaart en luchtvaart. Hun toepassingen bestrijken het volledige spectrum van de missie van een ruimtevaartuig en werken onopvallend op de achtergrond om essentiële diensten zoals navigatie, communicatie en besturing te leveren.
