Sind Ihre SMD-Komponenten zuverlässig für die Luft- und Raumfahrt?

Raumfahrtsysteme sind ein Bereich, der höchste Zuverlässigkeit erfordert, sowohl im kommerziellen als auch im militärischen Segment. Diese Systeme können über einen großen Bereich von Temperaturen, Drücken und Höhen arbeiten, einschließlich der Erdumlaufbahn und darüber hinaus. Daher wird von Raumfahrtsystemen eine ständige Betriebsbereitschaft sowie eine lange Lebensdauer mit MTBF-Werten erwartet, die 10.000 Stunden kontinuierlichen Betriebs überschreiten.

SMD-Bauteile, die in diesen Umgebungen verwendet werden, insbesondere integrierte Schaltkreise und passive Komponenten, müssen bestimmte Material-, Konstruktions- und Prüfanforderungen erfüllen, um sicherzustellen, dass die volle Lebensdauer der Komponenten erreicht werden kann. Bevor Sie die Stückliste für Ihr Raumfahrtsystem erstellen, stellen Sie sicher, dass Sie verstehen, wie Teile für den Flug qualifiziert werden.

Komponentenfaktoren, die die Zuverlässigkeit beeinträchtigen

Materialien

Materialien müssen stark genug sein, um großen Temperaturschwankungen und Vibrationen standzuhalten, aber bei den in elektronischen Komponenten verwendeten Materialien ist noch mehr zu beachten. Jeder dieser Faktoren kann zu einem vorzeitigen Ausfall von Komponenten führen, wenn ein Design flugbereit ist:

• Thermoplastische Materialien müssen auf Ausgasung getestet werden, wenn ein Produkt in sehr großen Höhen (niedriger Druck) oder Vakuumumgebungen eingesetzt wird.
• Metalle mit hohem Dampfdruck, wie Zink und Cadmium, sollten nicht in Vakuumumgebungen eingesetzt werden, da diese Metalle sublimieren würden. Eine Vernickelung kann verwendet werden, um die Sublimation zu verhindern, dies sollte jedoch mit einigen Tests verifiziert werden.
• Komponenten, die reines Zinn und einige zinnbasierte Beschichtungen auf Komponenten enthalten, können während des Fluges Whiskerbildung erfahren. Dies schafft ein Risiko von Kurzschlüssen, da die Whisker mit der Zeit wachsen.

Metallkomponentengehäuse

Eine Komponente mit einem Metallgehäuse oder -gehäuse ist typischerweise mechanisch stärker als thermoplastische Komponenten, aber der Metallkörper wird eine Gefahr des Kurzschließens oder Lichtbogens erzeugen, da die Höhe zunimmt. Dies tritt auf, weil die dielektrische Festigkeit der Luft mit zunehmender Höhe abnimmt, aufgrund der reduzierten Dichte der Luft in größeren Höhen. Als Ergebnis kann jedes elektrische Gerät oder elektronische Gerät, das in großer Höhe betrieben wird, ein höheres Basisisolationsniveau (BIL) oder größere Abstände zwischen Leitern benötigen, um die geringere dielektrische Festigkeit zu kompensieren.

Tatsächlich, wenn man sich den IPC-2221B Standard für Abstand und Kriechstrecke ansieht, wird man feststellen, dass der Standard die Anforderungen an den Leiterabstand als Funktion der DC-/Spitzen-AC-Spannung definiert. Wenn man Tabelle 6-1 betrachtet und die Spalten B2 und B3 vergleicht, wird man feststellen, dass der große Unterschied zwischen diesen Werten auf die Höhenlage zurückzuführen ist, in der die Platine eingesetzt wird (siehe die Fußnoten im Bild unten).

IPC-2221B Leiterabstandsanforderungen.Erfahren Sie mehr in diesem Artikel.

Beachten Sie, dass die Spalten B4 und A5 die Abstandswerte für zwei beschichtete Leiter bei jeder Höhenlage angeben, und dies bietet eine Lösung für die höheren Abstandsanforderungen für unbeschichtete Leiter in großer Höhe. Das Problem ist, dass die Beschichtung ausgasen könnte, ähnlich dem oben aufgeführten Problem mit thermoplastischem Material. Jede Beschichtung, Vergussmasse oder Einkapselung sollte vor dem Einsatz auf Ausgasung getestet werden.

Strukturelle Unterstützung

Integrierte Schaltkreise und SMD-Passive sind keine einfachen Materialblöcke, sie besitzen eine innere Struktur, die ihre mechanische Zuverlässigkeit bestimmt. Wenn ein Bauteil keine ausreichend starke innere Struktur hat, kann das Bauteil bei niedrigem oder hohem Druck versagen. Genau wie die Forschungsergebnisse, die ich in einem anderen Blog über Elektronik unter hohem Druck diskutiert habe, könnte dieselbe Gruppe von Komponenten bei niedrigem Druck versagen. Tests in einer HV/UHV-Umgebung über längere Zeiträume und anschließende Inspektionen können verwendet werden, um Komponenten zu identifizieren, die bei niedrigen Drücken versagen werden.

Vertikal Versetzte Bauteile

Einige Teile sitzen möglicherweise nicht bündig auf den Landepads auf, oder es kann einen großen Abstand zwischen dem Teil und der PCB geben. Dies schafft ein Risiko für große Amplitudenschwingungen während des Flugs, was zu Lötmaterialermüdung und dem Versagen der Baugruppe führen kann.

Um dieses Problem anzugehen, kann ein Abstandshalter oder Füllstoff unter dem Bauteil erforderlich sein, um den übermäßigen Abstand zwischen Bauteil und PCB zu füllen. Der Füllstoff kann ein Epoxidharz oder ein kleiner Kunststoffabstandshalter sein, aber die Unterstützung muss hinsichtlich Ausgasung und thermischer Zuverlässigkeit qualifiziert sein. Epoxidfüller kann unter kleinen Komponenten schwer zu verarbeiten sein; konsultieren Sie einen MIL-SPEC-konformen PCB-Monteur bezüglich ihrer Fähigkeiten und des Verfahrens zum Auftragen eines Abstandshalters oder Unterfüllmaterials für diese Komponenten.

Landepads

Hochdichte Baugruppen können schwer zu entwerfen und gemäß den Standards der Klasse 3/3A zu montieren sein, was für die Luft- und Raumfahrt-Elektronik erforderlich ist. Das Landemuster muss so gestaltet sein, dass sich ein ausreichend großer Lötfahnenansatz an den freiliegenden Anschlüssen bildet. Ebenso müssen die Anschlüsse groß genug sein, um einen ausreichend großen Fahnenansatz halten zu können. Wenn keine dieser Bedingungen erfüllt ist, könnte es sein, dass nicht genug Lötzinn vorhanden ist, um mechanischen Schock oder Vibrationen während des Fluges standzuhalten.

Im Fall, dass der Lötfahnenansatz am Bauteilanschluss zu klein ausfällt (oder umgekehrt), könnte ein Klebstoff verwendet werden, um das Bauteil auf der PCB zu fixieren. Wenn die betreffenden Teile viel Wärme erzeugen, könnte ein 2-Komponenten-Epoxidharz oder ein anderer Klebstoff bei hohen Temperaturen abbauen. Stattdessen könnte eine Wärmeleitpaste auf dem Bauteil verwendet werden, da dies sowohl Adhäsion als auch Wärmeübertragung mit einem einzigen Material bietet. Das Ausgasen dieser Materialien muss getestet werden, und die Stärke der Bindung sollte geprüft werden.

MIL-SPEC-Komponenten beschaffen

Komponenten, die darauf ausgelegt sind, harten Bedingungen in der Luft- und Raumfahrt standzuhalten, werden normalerweise als MIL-SPEC-Komponenten vermarktet, in Bezug auf die vom US-Verteidigungsministerium (DoD) festgelegten Militärspezifikationsstandards. Viele SMD-Komponentenhersteller, wie Vishay und Kemet, bieten eine Reihe von MIL-SPEC-Komponenten an, die möglicherweise nicht über kommerzielle Distributoren wie Digi-Key oder Mouser erhältlich sind. Stattdessen müssen Kunden direkt den Hersteller kontaktieren, um die Komponenten zu beziehen.

Als Teil eines Datenpakets für diese Komponenten können Hersteller Testdaten bereitstellen, die die Zuverlässigkeit unter verschiedenen Betriebsbedingungen beweisen, von großen Temperaturschwankungen bis hin zu Vibration und Vakuumumgebungen.

Wenn eine Komponente nicht speziell für MIL-SPEC qualifiziert ist, kann sie dennoch für die Luft- und Raumfahrt verwendet werden, solange nachgewiesen werden kann, dass sie im Flug zuverlässig ist. Dies beinhaltet eine Reihe von Belastungstests, von denen einige oben besprochen wurden. Sie können auch die folgenden Ressourcen einsehen:

• Die Herausforderung des Designs und Tests von hochzuverlässigen PCBAs
• Übersicht über PCB/PCBA Zuverlässigkeitstests und Fehleranalyse
• Was ist Burn-in-Testing für Elektronik?
• Design mit Schockmanagement für Avionik-PCBs

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