군사-항공 시장을 위한 설계—위성

해군용으로 개발된 제품들과 유사하게, 위성은 제품 개발 주기 동안 해결해야 할 특정 환경 조건에 따라 제작됩니다. 방사선 경화 IC부터 열 파이프, 신뢰성에 대한 극도의 강조에 이르기까지, 위성에서 사용되는 PCB는 특별한 운영 문제에 직면합니다. 이 글에서는 위성에 사용되는 PCB를 설계할 때 발생하는 도전과 그 설계 환경의 독특함에 대해 설명할 것입니다.

많지 않지만 매우 비싼

해군용 응용 프로그램과 유사하게, 위성용으로 개발된 PCB는 매우 비싸고 수량이 적은 것이 특징입니다. 또한, 이러한 제품을 제작할 수 있는 제조업체와 조립업체는 매우 전문화되어 있으며 제한적입니다.

참고: 군사-항공 우주 위성에 대해 이야기할 때, 감시용으로 사용되는 것과 거대한 통신 네트워크를 지원하는 데 사용되는 위성을 말합니다. 예를 들어, GPS는 원래 군사용으로 만들어졌으며 오늘날에도 이 시스템을 유지하고 있습니다.

위성 PCB의 높은 비용은 그들에게 통합된 기술뿐만 아니라 앞서 언급한 낮은 수량 때문에 주어진 것입니다. 더욱이, 이러한 PCB는 프로젝트 특정적이므로 한 위성/프로그램을 위해 제작된 PCB가 다른 것으로 쉽게 전환될 가능성은 거의 없습니다.

앞서 언급했듯이, 군사 및 항공 프로그램에서 PCB 제작과 관련된 문서 작업량은 보드 자체의 비용의 두 배가 될 수 있습니다. 또한, 보드 제조업체와 조립업체는 군사 및 항공 프로젝트를 위해 인증을 받아야 하며, 이는 시간, 노동, 비용이 많이 드는 제안입니다.

하늘을 보세요: 새인가, 비행기인가, 아니면 위성인가

위성의 신호 무결성 문제는 동일한 수준의 기술(IC 구성 요소)이 사용되기 때문에 다른 모든 응용 환경과 같습니다. 특정 구현이 있긴 하지만, 위성에는 다른 제품 구현에 사용되는 것과 동일한 성능의 프로세서, 마이크로파 제품 및 RF 라디오가 모두 포함되어 있습니다.

위성 PCB 개발 시 마주치는 환경 특정 도전 과제는 다음과 같습니다:

• PCB는 발사 충격을 견딜 수 있어야 합니다.
• IC는 방사선 경화가 필요합니다.
• 최종 제품은 최소한의 무게여야 합니다.
• 심각한 전력 소비 제한이 있습니다.
• 냉각 요구 사항이 높습니다.
• 신뢰성은 매우 중요한 문제입니다.

이러한 도전 과제를 차례로 다루겠습니다.

발사 충격

발사 충격 기준은 발사대에서 미사일을 들어올리기 위해 필요한 수메가톤의 추력을 고려할 때 거의 주어진 것입니다. 해군을 위해 매우 부식성이 강한 환경에서도 견딜 수 있는 것과 유사하게, 위성에서는 PCB 패키지가 과도하게 설계되고 과도하게 제작된 것처럼 보일 수 있습니다. 그 이유는 꽤 명확합니다. PCB가 발사 과정 중에 어떠한 손상을 입으면, 우주에 도달한 후에는 수리할 방법이 없습니다.

방사선 경화

방사선 경화는 전자 부품과 회로가 우주 공간에서 발견되는 입자 방사선 및 고에너지 전자 방사선과 같은 높은 수준의 이온화 방사선에 의한 손상이나 오작동에 저항할 수 있도록 보장하는 과정입니다. PCB는 방사선 경화된 IC를 쉽게 수용하도록 설계되어야 합니다.

IC가 방사선 경화될 때는 사파이어 웨이퍼 위에 얇은 실리콘층이 성장합니다. (이 과정은 SOS, 즉 사파이어 위의 실리콘으로 알려져 있습니다). 실리콘은 일반적으로 가열된 사파이어 기판 위에 실란 가스의 분해에 의해 증착됩니다. 사파이어는 우수한 전기 절연체로, 근처 회로 요소로의 방사선 전류의 확산을 방지합니다. 위성에 사용되는 모든 IC는 방사선 경화됩니다.

모든 군사 위성이 EMP(전자기 펄스)를 견딜 수 있도록 설계되었다는 점도 주목할 필요가 있습니다. EMP는 번개가 발생할 때 생성되는 것과 유사한 거대한 에너지 충격입니다. 이것이 라디오에서 정적 소리의 원인이 됩니다. EMP가 위성을 강타하면 전선 내에 매우 높은 전압을 유도함으로써 위성 내의 전자 장치를 파괴할 수 있습니다. 이 문제의 해결책은 이제 위성과 대부분의 새로운 비행기에 통합된 광섬유입니다.

무게 고려 사항

위성에 통합된 모든 기술은 최소한의 무게여야 합니다—PCB와 그 위에 통합된 구성 요소에 이르기까지. 위성 기술 개발에 관여하는 엔지니어들은 지정된 무게 요구 사항을 충족하는지 확인하기 위해 위성의 모든 측면을 검토합니다. 또한 가능한 경우 언제든지 무게를 줄이는 방법을 찾습니다.

전력 소비

모든 위성의 전력 소비 목표는 가능한 가장 긴 시간 동안 가능한 한 적은 전력을 소비하는 것입니다. 지구 궤도에 있는 모든 위성은 태양 에너지로 구동됩니다. 이는 위성이 지구 뒤에 있을 때 전력을 공급하는 일부 배터리가 있어야 함을 의미합니다. 또한 상당히 우아한 전력 관리 시스템이 있어야 함을 의미합니다.

지구 궤도를 벗어나거나 달의 어두운 면에서 작동해야 하는 위성들은 핵동력으로 구동됩니다. 이는 수천 개의 열전쌍이 모두 연결되어 뜨거운 핵심을 둘러싸고 있는 방식으로 이루어집니다.

냉각 요구 사항

위성의 IC를 냉각하는 일반적인 방법은 히트 파이프를 사용하는 것입니다. 히트 파이프 기술은 실제로 위성과 함께 시작되었습니다. 히트 파이프는 내부에 튜빙이 있는 금속 판을 IC의 상단에 두어 만들어집니다. 튜빙은 다른 한쪽 끝에 큰 판이 있는 열린 공간으로 이어집니다. 튜브 안에는 메쉬와 액체가 있습니다. 이 액체는 IC의 열로 인해 증기가 되도록 선택됩니다. 증기는 튜브 중앙을 따라 다른 끝으로 이동하여 다시 액체로 응축되고, 다시 메쉬를 통해 다른 끝으로 돌아가서 사이클이 반복됩니다. IC에서 히트 파이프의 사용은 위성 기술을 훨씬 넘어서 확장되었습니다. 예를 들어, 히트 파이프가 없다면 인터넷 제품의 일부 IC는 매우 높은 전력 수준으로 인해 제대로 기능하지 못할 것입니다.

열 파이프를 사용할 수 없는 경우, 예를 들어 매우 큰 IC가 있는 경우, PCB에 구리층을 추가하여 방열판을 만들 수 있습니다. PCB 내부의 추가 금속층은 IC로부터 열을 전도시켜 멀리 이동시키는 역할을 합니다.

신뢰성 문제

신뢰성 문제와 관련하여, MTBF는 매우 높아야 합니다. 이는 위성의 모든 구성 요소, 즉 차량 자체뿐만 아니라 그 안에 통합된 기술부터 PCB에 이르기까지 모두를 포함합니다. 통신 위성의 평균 수명 기대치는 10년입니다. 도전은 태양 전지판이 저하되는 동안 위성의 나머지 구성 요소는 온전하고 기능적으로 남아 있다는 것입니다. TV용으로 사용되는 정지궤도 위성의 경우, 위치에서 벗어나기 시작하면 발사할 수 있는 작은 로켓 모터가 있습니다. 로켓 모터를 발사함으로써, 위성을 정확한 위치로 다시 배치할 수 있습니다. 이러한 경우, 위성의 수명은 그 모터의 연료가 소진될 때 종료됩니다. 이러한 위성을 수리하는 비용이 합리적이지 않기 때문에, 새로운 위성을 보내는 것이 더 쉽습니다.

관찰

인간으로서 우리는 우주에 대한 타고난 매력을 가지고 있습니다. 50년대 후반 우주 경쟁이 시작된 이래로, 우리는 거의 믿을 수 없는 듯이 눈을 하늘로 돌려 지구 위를 날아가는 인간이 우주에 보낸 하드웨어들을 지켜보았습니다. Speeding Edge의 창립자이자 회장인 리 리치는 아폴로 프로그램의 일부로 달에 남겨진 최초의 라디오를 만들었습니다. 저는 80년대 중반 캘리포니아 중앙 해안에 있는 밴덴버그 공군 기지에서 거의 완성된 스페이스 셔틀 발사 단지의 CDM(구성 데이터 관리) 엔지니어로 근무할 행운을 얻었습니다. 몇 년 후, 저는 Wind River Systems의 공공 관계 컨설턴트였을 때, 회사의 VxWorks 소프트웨어 기술이 1997년 첫 번째 패스파인더 탐사 우주선을 화성으로 안내할 때였습니다. NASA는 프로젝트를 위해 COTS(상용 제품) 기술을 사용하는 데 중점을 두었습니다. 패스파인더에 탑재된 컴퓨터는 방사선 경화된 IBM RISC 6000 CPU와 Wind River의 VxWorks가 운영 체제로 구성되어 있었습니다. 바퀴 달린 로봇 화성 탐사 로버인 소저너는 지구-달 시스템 외부에서 작동한 최초의 로버였습니다. 우리 둘 모두에게, 우주 프로그램 노력에 참여한 경험은 우리 경력의 하이라이트 중 하나입니다.

요약

위성에 사용되는 PCB의 설계 및 제조는 우주 작업에 특정한 여러 환경 및 성능 매개변수를 고려해야 합니다. 이러한 매개변수에 대한 철저한 이해는 PCB가 처음에는 물론 위성의 전체 수명 동안 매번 제대로 작동할 수 있도록 보장하는 데 도움이 될 수 있습니다.

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