ミルエアロ市場向けの設計—衛星

海軍向けに開発された製品と同様に、衛星は製品開発サイクル中に対処しなければならない特定の環境条件の対象となります。放射線耐性ICからヒートパイプ、信頼性への極端な重視に至るまで、衛星で使用されるPCBは、非常に特殊な運用問題に直面しています。この記事では、衛星で使用されるPCBを設計する際に関連する課題と、その設計環境のユニークさについて説明します。

数は少ないが、非常に高価

海軍向けのアプリケーションと同様に、衛星用に開発されたPCBは、非常に高価で量が少ないという特徴があります。さらに、これらの製品を構築できる製造業者と組み立て業者は、高度に専門化されており限られています。

注：私が軍事・宇宙衛星について話しているとき、それらは監視用のものや巨大な通信ネットワークをサポートするためのものです。例えば、GPSはもともと軍事用に作られたもので、今日でもそれを維持しています。

衛星PCBの高コストは、それらに組み込まれた技術および前述の低ボリュームのために当然のことです。さらに、これらのPCBはプロジェクト固有の傾向があるため、一つの衛星/プログラム用に構築されたPCBが別のものに容易に転用されることはありません。

以前に述べたように、ミルエアロプログラムでは、PCB製造に関連する文書の量は、基板自体のコストの2倍になることがあります。さらに、基板製造業者と組み立て業者は、ミルエアロプロジェクトのために認証されなければならず、それは時間、労力、コストがかかる提案です。

空を見上げてみよう：それは鳥か、飛行機か、いや、衛星だ

衛星の信号整合性の問題については、同じレベルの技術（ICコンポーネント）が特定の実装で使用されているため、他のすべてのアプリケーション環境と同じです。さらに、衛星には、他の製品実装で使用されるのと同じパフォーマンスプロセッサ、マイクロ波製品、RFラジオが含まれています。

衛星PCBの開発において遭遇する環境固有の課題には以下が含まれます：

• PCBは、打ち上げ時の衝撃に耐えることができなければなりません。
• ICは放射線耐性が必要です。
• 最終製品は最小限の重量でなければなりません。
• 厳しい電力消費の制限があります。
• 冷却要件が高まっています。
• 信頼性は非常に重要な懸念事項です。

これらの課題について順番に対処します。

打ち上げ時の衝撃

打ち上げ時の衝撃基準は、発射台からミサイルを持ち上げるために必要な数メガトンの推力を考慮に入れると、ほぼ既定のものと言えます。海軍での高度に腐食性の環境での運用に耐えられるように、衛星では、PCBパッケージが過設計で、過剰に構築されているように見えることがあります。その理由はかなり明確です。打ち上げプロセス中にPCBがいかなる損傷を受けた場合、宇宙に到達してからは修理する方法がありません。

放射線硬化

放射線硬化は、電子部品や回路が、宇宙空間に存在する粒子放射線や高エネルギー電子放射線など、高レベルの電離放射線によって引き起こされる損傷や機能不全に耐えられるようにするプロセスです。PCBは、放射線硬化されたICを容易に収容できるように設計されなければなりません。

ICが放射線硬化されるとき、サファイアウェハー上に薄いシリコン層が成長します。（このプロセスはSOS、またはサファイア上のシリコンとして知られています）。シリコンは通常、加熱されたサファイア基板上でシランガスの分解によって堆積されます。サファイアは優れた電気絶縁体であり、近くの回路要素への放射線電流の拡散を防ぎます。衛星で使用されるすべてのICは放射線硬化されています。

すべての軍事衛星は、EMP（電磁パルス）に耐えられるように設計されていることにも注意すべきです。EMPは、雷が発生させるものと同様の巨大なエネルギーショックです。これがラジオに静電気のような音を引き起こす原因です。EMPが衛星を襲うと、ワイヤ内に非常に高い電圧を誘導することによって、衛星内の電子機器を破壊する可能性があります。これに対する解決策は、現在衛星やほとんどの新型飛行機に組み込まれている光ファイバーです。

重量の考慮事項

衛星に組み込まれる技術は、PCBやそれに搭載されるコンポーネントに至るまで、最小限の重量でなければなりません。衛星技術の開発に携わるエンジニアは、指定された重量要件を満たしていることを確認するために、衛星のあらゆる側面を調査します。また、可能な限り重量を減らす方法を探します。

電力消費

すべての衛星の電力消費目標は、可能な限り少ない電力で最長の時間を運用することです。地球軌道にあるすべての衛星は太陽光発電です。これは、衛星が地球の裏側にあるときに電力を供給するバッテリーが必要であることを意味します。また、かなり洗練された電力管理システムが必要であることも意味します。

地球軌道を離れる衛星や月の暗い側で作業する必要がある衛星は、核動力を使用しています。これは、熱い核心を囲むように接続された数千の熱電対を持つことによって達成されます。

冷却要件

衛星上のICを冷却する通常の方法は、ヒートパイプを使用することです。ヒートパイプ技術は実際には衛星で始まりました。ヒートパイプは、内部に配管があり、ICの上に置かれる金属板で作られています。配管は開放エリアに向かって外れ、そこにはもう一つの大きな板があります。管の内部にはメッシュと液体があります。この液体は、ICの熱で蒸気になるように選ばれます。蒸気は管の中央を通って反対側に移動し、そこで液体に凝縮され、再びメッシュを通って反対側に戻り、このサイクルが繰り返されます。IC上でのヒートパイプの使用は、衛星技術をはるかに超えて拡大しています。例えば、ヒートパイプがなければ、インターネット製品の一部のICは非常に高い電力レベルのために適切に機能しないでしょう。

ヒートパイプを使用できない場合、例えば非常に大きなICがある場合など、PCBに銅の追加層を加えてヒートシンクを作成することができます。PCB内の追加の金属層は、ICから熱を遠ざけるために働きます。

信頼性に関する懸念

信頼性の問題に関しては、MTBF（平均故障間隔）は非常に高くなければなりません。これには、衛星自体やそれに組み込まれた技術、PCBに至るまでのすべての衛星のコンポーネントが含まれます。通信衛星の典型的な寿命期待値は10年です。挑戦となるのは、太陽電池パネルが劣化する一方で、衛星の他のコンポーネントは無傷で機能し続けることです。TV用の静止衛星の場合、位置がずれ始めたときに点火できる小さなロケットモーターがあります。ロケットモーターを点火することで、衛星を正確な位置に戻すことができます。これらの場合、衛星の寿命はそのモーターの燃料が尽きたときに終わります。これらの衛星の修理コストは現実的ではないため、新しい衛星を送り上げる方が簡単です。

観察

私たち人間は、生まれながらにして宇宙に対する強い魅力を感じています。50年代後半に宇宙競争が始まって以来、私たちは信じられないほどの目で空を見上げ、人類が宇宙に送り込んだ機械が地球上の私たちを飛び越えていく様子を見守ってきました。Speeding Edgeの創設者兼社長であるLee Ritcheyは、アポロ計画の一環として月に残された最初のラジオを製造しました。私は、80年代半ばにカリフォルニア州中央海岸のヴァンデンバーグ空軍基地でほぼ完成していたスペースシャトル発射施設のCDM（Configuration Data Management）エンジニアとして働く幸運に恵まれました。数年後、私はWind River Systemsの公共関係コンサルタントとして、同社のVxWorksソフトウェア技術が1997年に最初のパスファインダー探査宇宙船を火星へ導いた時のことを担当しました。NASAは、そのプロジェクトにCOTS（市販のオフ・ザ・シェルフ技術）を使用することに注力していました。パスファインダーに搭載されたコンピューターは、Rad-hardened IBM RISC 6000 CPUを搭載し、オペレーティングシステムとしてWind RiverのVxWorksが使用されました。車輪付きのロボット火星探査車、ソジャーナーは、地球・月システムの外で動作した最初のローバーでした。私たち両者にとって、宇宙プログラムの取り組みに携わった経験は、キャリアの中で最も高いポイントの一つです。

要約

衛星で使用されるPCBの設計と製造には、宇宙運用に特有の多くの環境および性能パラメータを考慮に入れる必要があります。これらのパラメータを十分に理解することで、PCBが最初だけでなく、衛星の寿命全体を通じて毎回正しく機能することを確実にすることができます。

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