SMD 부품이 항공우주 분야에서 신뢰할 수 있나요?
항공우주 시스템은 상업 및 군사 분야 모두에서 최고의 신뢰성을 요구하는 분야입니다. 이러한 시스템은 지구 궤도 및 그 너머를 포함하여 광범위한 온도, 압력, 고도에서 작동할 수 있습니다. 따라서 항공우주 시스템에는 영구적인 가동 시간과 연속 작동 10,000시간을 초과하는 MTBF 값과 같은 긴 수명이 기대됩니다.
이러한 환경에서 사용되는 SMD 부품, 특히 집적 회로와 수동 부품은 구성 요소의 전체 수명을 실현할 수 있도록 특정 재료, 구조 및 테스트 요구 사항을 충족해야 합니다. 항공우주 시스템의 BOM을 구축하기 전에 부품이 비행에 적합하게 인증되는 방법을 이해해야 합니다.
신뢰성을 저해하는 구성 요소 요인
재료
재료는 큰 온도 변화와 진동을 견딜 수 있을 만큼 강해야 하지만 전자 부품에 사용되는 재료에는 더 많은 것이 관련되어 있습니다. 이러한 요인 중 어느 하나라도 비행을 위해 설계가 준비될 때 구성 요소의 조기 실패로 이어질 수 있습니다:
- 제품이 매우 높은 고도(저압) 또는 진공 환경에서 배치될 경우 열가소성 재료는 가스 방출에 대해 테스트되어야 합니다.
- 아연과 카드뮴과 같이 증기압이 높은 금속은 이러한 금속이 승화할 수 있으므로 진공 환경에서 사용해서는 안 됩니다. 니켈 도금을 사용하여 승화를 방지할 수 있지만, 이는 일부 테스트를 통해 검증되어야 합니다.
- 순수한 주석을 포함하는 부품과 일부 주석 기반 도금이 적용된 부품은 비행 중에 휘스커링(whiskering) 현상을 겪을 수 있습니다. 시간이 지남에 따라 휘스커링이 성장함에 따라 단락의 위험이 생깁니다.
금속 부품 몸체
금속 케이싱이나 인클로저가 있는 부품은 일반적으로 열가소성 부품보다 기계적으로 강하지만, 고도가 증가함에 따라 금속 몸체는 단락이나 아킹의 위험을 만들어냅니다. 이는 고도가 증가함에 따라 공기의 밀도가 감소하여 공기의 유전 강도가 감소하기 때문입니다. 결과적으로, 고고도에서 작동하는 모든 전기 장비나 전자 장치는 낮은 유전 강도를 보상하기 위해 더 높은 기본 절연 수준(BIL)이나 도체 간의 더 큰 간격이 필요할 수 있습니다.
사실, IPC-2221B 표준의 절연거리 및 크리피지에 대해 살펴보면, 이 표준은 DC/피크 AC 전압의 함수로서 도체 간격 요구 사항을 정의하고 있음을 알 수 있습니다. 표 6-1을 살펴보고 B2열과 B3열을 비교해 보면, 이러한 값들 사이의 큰 차이가 기판이 배치되는 고도에 기반을 두고 있음을 알 수 있습니다(아래 이미지의 각주를 참조하세요).
IPC-2221B 도체 간격 요구 사항.이 기사에서 더 자세히 알아보세요.
열 B4와 A5는 어떤 고도에서도 코팅된 두 도체의 절연 거리 값을 지정하며, 이는 고고도에서 무도금 도체에 대한 더 높은 절연 거리 요구 사항에 대한 하나의 해결책을 제공합니다. 문제는 코팅이 열가소성 재료 문제와 유사하게 가스를 방출할 수 있다는 것입니다. 코팅, 포팅 재료 또는 봉입재는 사용 전에 가스 방출 여부를 테스트해야 합니다.
구조 지지
집적 회로와 SMD 패시브 부품은 단순한 재료 덩어리가 아니며, 내부 구조가 그들의 기계적 신뢰성을 결정합니다. 부품이 충분히 강한 내부 구조를 갖고 있지 않다면, 낮은 압력이나 높은 압력에서 부품이 실패할 수 있습니다. 제가 다른 블로그에서 논의한 고압 전자기기에 대한 연구 결과처럼, 같은 그룹의 부품이 낮은 압력에서도 실패할 수 있습니다. HV/UHV 환경에서의 장기간 테스트와 이후의 검사를 통해 낮은 압력에서 실패할 부품을 식별할 수 있습니다.
수직 오프셋 부품
일부 부품은 착륙 패드에 완전히 밀착되지 않거나 부품과 PCB 사이에 큰 공간이 있을 수 있습니다. 이는 비행 중 큰 진폭의 진동을 유발하여 솔더 피로 및 조립체의 실패로 이어질 위험을 만듭니다.
이 문제를 해결하기 위해, 부품 아래에 과도한 부품-PCB 간격을 채우기 위한 스페이서나 필러 화합물이 필요할 수 있습니다. 필러 화합물은 에폭시 또는 작은 플라스틱 스페이서일 수 있지만, 지지대는 아웃가싱 및 열 신뢰성에 대해 검증되어야 합니다. 에폭시 필러는 작은 부품 아래에서 작업하기 어려울 수 있으므로, 이러한 부품에 대한 스페이서나 언더필을 적용하는 과정과 능력에 대해 MIL-SPEC 준수 PCB 조립업체와 상의하십시오.
착륙 패드
고밀도 조립체는 항공우주 전자기기에 필요한 Class 3/3A 기준에 따라 설계하고 조립하기 어려울 수 있습니다. 노출된 리드에 충분히 큰 솔더 필렛이 형성되도록 랜드 패턴을 설계해야 합니다. 마찬가지로, 리드는 충분히 큰 필렛을 유지할 수 있을 만큼 커야 합니다. 양 조건 중 하나라도 충족되지 않으면, 비행 중 기계적 충격이나 진동에 견딜 수 있는 충분한 솔더가 없을 수 있습니다.
구성 요소 리드의 솔더 필렛이 너무 작게 형성되는 경우(또는 그 반대의 경우), 접착제를 사용하여 부품을 PCB에 고정하는 데 도움이 될 수 있습니다. 문제가 되는 부품이 많은 열을 발생시키는 경우, 2부분 에폭시 또는 다른 접착제는 고온에서 열화될 수 있습니다. 대신, 열전도성 패이스트를 부품에 사용할 수 있으며 이는 단일 재료로 접착과 열 전달을 제공합니다. 이러한 재료의 가스 방출을 테스트하고, 접착력의 강도를 시험해야 합니다.
MIL-SPEC 부품 획득
항공우주에서 발견되는 엄격한 조건을 견딜 수 있도록 설계된 부품들은 일반적으로 미국 국방부(DoD)가 설정한 군사 규격(Military Specification, MIL-SPEC) 기준을 참조하여 MIL-SPEC 부품으로 시장에 출시됩니다. Vishay 및 Kemet과 같은 많은 SMD 부품 공급업체들은 Digi-Key나 Mouser와 같은 상업적 유통업체를 통해 구할 수 없는 MIL-SPEC 부품 라인을 제공합니다. 대신, 고객은 부품을 얻기 위해 공급업체에 직접 연락해야 합니다.
이러한 부품에 대한 데이터 패키지의 일부로, 공급업체는 큰 온도 변화부터 진동 및 진공 환경에 이르기까지 다양한 운영 조건에서의 신뢰성을 증명하는 시험 데이터를 제공할 수 있습니다.
부품이 MIL-SPEC에 특별히 자격을 갖추지 않았더라도, 비행 중에 신뢰할 수 있다는 것이 입증될 수 있다면 항공우주용으로 사용될 수 있습니다. 이는 위에서 언급한 몇 가지 스트레스 테스트를 포함한 일련의 테스트를 포함합니다. 다음 자료도 확인해 보세요:
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