Les avantages des circuits flexibles pour les applications spatiales

Parfois, les gens me demandent pourquoi les voyages dans l'espace sont importants. La réponse me semble évidente chaque soir, lorsque je vais me coucher. Mon oreiller est en mousse à mémoire de forme, qui a été développée par la NASA. Leurs efforts de recherche pour l'exploration spatiale ont entraîné toutes sortes d'autres découvertes importantes et de gadgets dont nous profitons tous à l'heure actuelle. Une autre technologie très utile qui à l'origine a été développée pour l'industrie aérospatiale : les circuits flexibles. Les circuits imprimés flexibles et flex-rigides possèdent plusieurs avantages par rapport aux circuits imprimés conventionnels quand il s'agit de voler autour de la Terre et bien au-dessus. Des caractéristiques comme un poids et un volume plus réduits, une meilleure fiabilité, ou une conception plus innovante font des circuits flexibles un choix parfait pour aller vers l'infini et au-delà. Un matériau en particulier rassemble tous ces avantages : le Kapton^®.

Poids plume et faible volume

On ne pense pas forcément que les questions de poids ont beaucoup d'importance en matière d'exploration spatiale. Finalement, tout est en apesanteur là-haut, pas vrai ? Malheureusement, les fusées et leurs charges utiles sont tout de même soumises à la gravité pendant le décollage. Le fait de soulever quelque chose de terre pour l'envoyer en orbite est l'une des phases les plus énergivores de toute la manœuvre. Les circuits flexibles ont une faible masse et prennent moins de place que les circuits imprimés conventionnels, ce qui fait d'eux la solution parfaite pour l'aérospatial.

Les circuits flexibles sont naturellement plus légers qu'une carte normale. Au lieu d'utiliser un substrat épais et rigide, le circuit est monté sur un mince film. Le poids économisé sur le substrat se cumule au fur et à mesure de l'ajout de différentes couches, avec un résultat pouvant monter jusqu'à 75 % de réduction du poids. Cela ne semble peut-être pas très important, mais lorsque vous devrez faire le plein de votre propre fusée, vous verrez que chaque gramme compte. 

Les circuits flexibles ne sont pas seulement plus légers, ils sont aussi plus petits. Il va sans dire qu'un mince film prend moins de place qu'un substrat épais, mais les économies de place les plus importantes sont dues à la flexibilité du matériau. Là où une carte conventionnelle nécessitera une quantité fixe d'espace en 3D, une carte flexible pourra être tassée ou pliée dans tous les coins et recoins. Elle pourra également être tordue pour adopter des formes inédites en 3D et combler un espace inutilisé. Avec un peu de créativité, vous pourrez économiser jusqu'à 60 % d'espace par rapport aux circuits imprimés conventionnels. La taille est importante, elle aussi, car une charge utile plus volumineuse implique forcément un lanceur spatial plus grand, et donc plus lourd. 

Il est préférable d'éviter les poids inutiles lors du lancement.

Fiabilité

Lors de la conception de circuits imprimés destinés à aller dans l'espace, la fiabilité a une importance cruciale. La NASA a lancé la sonde Voyager One il y a 36 ans, et elle vole toujours. Il faut que vos circuits soient plutôt fiables pour flotter dans l'espace pendant 36 ans. Les circuits flexibles résistent mieux aux forces dynamiques que les circuits conventionnels, et ils éliminent des points d'interconnexion susceptibles aux dysfonctionnements.

Les vaisseaux spatiaux sont soumis à toutes sortes de forces dynamiques, principalement au décollage. Les forces dynamiques sont la plaie des circuits conventionnels, car les vibrations causent jusqu'à 20 % des pannes. Les circuits flexibles et flex-rigides sont conçus pour pouvoir se tordre en cours d'utilisation, et ils peuvent se plier des milliers de fois avant de dysfonctionner. Ainsi, les cartes flexibles plient au lieu de se rompre et continuent à fonctionner même soumises à de rudes conditions.

Les branchements, comme les raccords soudés ou les sertissages, etc. représentent également un risque majeur de dysfonctionnement. Ces raccords peuvent aussi céder sous les forces dynamiques. Les circuits flexibles annulent ce risque en éliminant les raccords. La plupart des branchements sur les cartes flexibles sont faits au sein du substrat. Pour que l'un d'entre eux dysfonctionne, il faudrait que la carte à circuits imprimés toute entière dysfonctionne également. Ainsi, les circuits flexibles éliminent presque totalement un point faible de votre carte. 

Les circuits flexibles sont parfaits pour les composants déployables.
 

Polyvalence

Le vide spatial est un espace intimidant, empli de difficultés à surmonter. Les ingénieurs recherchent des composants polyvalents pour y parvenir. Les circuits flexibles offrent l'adaptabilité physique qui peut permettre aux concepteurs d'incorporer à leur vaisseau spatial des composants extensibles et des formes bizarres.

Il n'est pas toujours pratique de caser un grand rectangle rigide dans un petit espace d'un tel vaisseau. Les circuits flexibles peuvent se conformer à toutes les surfaces sur lesquelles ils sont montés. Cela signifie qu'ils peuvent être montés partout où ils sont nécessaires. Au lieu de tendre des câbles entre une unité centrale et un lointain ensemble de capteurs, il est possible de monter le circuit juste à côté des capteurs. 

La flexibilité s'avère également pratique lorsque vous souhaitez incorporer des composants extensibles. Nous avons tous déjà vu des objets comme par exemple des panneaux solaires déployables sur des satellites. Tout comme les forces dynamiques et les vibrations peuvent affaiblir les cartes conventionnelles, les composants qui se déploient ou se rétractent peuvent user et abîmer les câbles et circuits imprimés conventionnels. On prend généralement un gros risque en incorporant ce genre de dispositifs. Cependant, étant donné que les circuits flexibles ont justement été conçus pour ce genre de mouvements, vous pourrez utiliser des équipements déployables sans crainte.

Kapton^®

Les circuits flexibles sont composés de nombreux matériaux, mais il en existe un en particulier qui est déjà largement utilisé pour les applications spatiales. Le Kapton^® est un mince film de polyimide qui a déjà servi lors de nombreuses missions spatiales, présent dans toutes sortes d'objets, des appareils de chauffage aux cellules solaires.

L'une des raisons pour lesquelles le Kapton^® est souvent choisi, c'est son poids réduit. C'est ainsi le choix idéal pour à peu près tout, depuis les isolations de câbles des fusées aux appareils de chauffage des rovers. Le Kapton^® est également utilisé en raison de ses propriétés mécaniques et de sa résistance aux vibrations. Cela l'aide à protéger divers appareils comme les panneaux solaires et les capteurs optiques pendant le fonctionnement. Ce matériau présente toutes les qualités qui rendent les circuits flexibles très utiles pour l'exploration spatiale, il n'est donc pas étonnant qu'il soit choisi pour tant de missions spatiales.

Que vous cherchiez à envoyer quelque chose jusqu'à Mars, ou à un endroit plus proche, comme la Station spatiale internationale, vous voudrez vous assurer que votre charge utile parviendra à destination. Les circuits flexibles vous aideront à garder la taille de votre vaisseau spatial au strict minimum et à le faire décoller. Ils en amélioreront également la fiabilité, et vous offriront davantage d'options en matière de conception. 

Maintenant que vous savez pourquoi vous devriez utiliser des circuits flexibles, il va vous falloir un logiciel de conception de circuits imprimés pour vous aider à les fabriquer. Vous avez de la chance : Altium Designer possède des outils qui peuvent faciliter la conception en mode flexible. Altium vous aidera à faire décoller votre vaisseau spatial en un rien de temps.

Vous avez d'autres questions concernant les circuits flexibles ? Contactez un expert Altium.