Os seus componentes SMD são confiáveis para aeroespacial?

Sistemas aeroespaciais são uma área que demanda confiabilidade máxima, tanto nos segmentos comercial quanto militar. Esses sistemas podem operar em uma ampla gama de temperaturas, pressões e altitudes, incluindo na órbita da Terra e além. Como tal, espera-se um tempo de atividade perpétuo para sistemas aeroespaciais, bem como longos períodos de vida útil com valores de MTBF superando 10.000 horas de operação contínua.

Peças SMD usadas nesses ambientes, particularmente circuitos integrados e componentes passivos, precisam atender a certos requisitos de materiais, construção e testes para garantir que a vida útil completa dos componentes possa ser realizada. Antes de construir a BOM para o seu sistema aeroespacial, certifique-se de entender como as peças são qualificadas para voo.

Fatores de Componentes que Comprometem a Confiabilidade

Materiais

Os materiais precisam ser suficientemente fortes para suportar grandes variações de temperatura e vibração, mas há mais envolvido nos materiais usados em componentes eletrônicos. Qualquer um desses fatores pode levar à falha precoce dos componentes quando um design está pronto para voo:

• Materiais termoplásticos precisam ser testados para desgaseificação se um produto for implantado em altitudes muito altas (baixa pressão) ou ambientes a vácuo.
• Metais com alta pressão de vapor, como zinco e cádmio, não devem ser utilizados em ambientes de vácuo, pois esses metais sublimarão. O revestimento de níquel pode ser usado para prevenir a sublimação, mas isso deve ser verificado com alguns testes.
• Componentes contendo estanho puro e alguns revestimentos à base de estanho em componentes podem sofrer formação de whiskers durante o voo. Isso cria risco de curtos-circuitos à medida que os whiskers crescem com o tempo.

Corpo do Componente Metálico

Um componente com uma caixa ou invólucro metálico é tipicamente mais resistente mecanicamente do que componentes termoplásticos, mas o corpo metálico criará um perigo de curto-circuito ou arco elétrico à medida que a altitude aumenta. Isso ocorre porque a força dielétrica do ar diminui à medida que a altitude aumenta, devido à reduzida densidade do ar em altitudes mais elevadas. Como resultado, qualquer equipamento elétrico ou dispositivo eletrônico operando em alta altitude pode requerer um Nível Básico de Isolamento (BIL) mais alto ou maiores distâncias entre condutores para compensar a menor força dielétrica.

Na verdade, se você observar o padrão IPC-2221B para distância de isolamento e trajeto de fuga, verá que o padrão define os requisitos de espaçamento de condutores como uma função da tensão DC/pico AC. Se você olhar para a Tabela 6-1 e comparar as colunas B2 e B3, encontrará que a grande diferença entre esses valores é baseada na elevação onde a placa é implantada (veja as notas de rodapé na imagem abaixo).

Requisitos de espaçamento de condutores IPC-2221B.Aprenda mais neste artigo.

Observe que a coluna B4 e A5 especificam valores de distância de isolamento para dois condutores revestidos em qualquer elevação, e isso oferece uma solução para os requisitos de distância de isolamento mais altos para condutores não revestidos em alta altitude. O problema é que o revestimento pode liberar gases, similar ao problema do material termoplástico mencionado acima. Qualquer revestimento, material de encapsulamento ou encapsulante deve ser testado para liberação de gases antes do uso.

Suporte Estrutural

Circuitos integrados e passivos SMD não são blocos de material, eles possuem uma estrutura interna que determina sua confiabilidade mecânica. Se um componente não tiver uma estrutura interna suficientemente forte, o componente pode falhar sob baixa ou alta pressão. Assim como os resultados de pesquisa que discuti em outro blog sobre eletrônica de alta pressão, o mesmo grupo de componentes poderia falhar sob baixa pressão. Testes em um ambiente HV/UHV por períodos prolongados e inspeção subsequente podem ser usados para identificar componentes que falharão sob baixas pressões.

Componentes com Desalinhamento Vertical

Alguns componentes podem não se assentar perfeitamente contra os pads de contato, ou pode haver um grande espaço entre o componente e a PCB. Isso cria um risco de vibrações de grande amplitude durante o voo, levando à fadiga do solda e falha da montagem.

Para abordar esse problema, pode ser necessário um espaçador ou um composto de preenchimento sob o componente para preencher o excesso de espaço entre o componente e a PCB. O composto de preenchimento pode ser um epóxi ou um pequeno espaçador de plástico, mas o suporte precisará ser qualificado quanto à emissão de gases e confiabilidade térmica. O preenchimento com epóxi pode ser difícil de trabalhar sob componentes pequenos; consulte um montador de PCBs compatível com MIL-SPEC sobre suas capacidades e processo para aplicar um espaçador ou preenchimento sob estes componentes.

Pads de Contato

Montagens de alta densidade podem ser difíceis de projetar e montar de acordo com os padrões Classe 3/3A, o que é exigido para a eletrônica aeroespacial. O padrão de contato deve ser projetado para garantir que um filé de solda suficientemente grande se forme nos terminais expostos. Da mesma forma, os terminais precisam ser grandes o suficiente para segurar um filé de tamanho adequado. Se nenhuma dessas condições for atendida, pode não haver solda suficiente para resistir a choques mecânicos ou vibrações durante o voo.

No caso em que o filé de solda no terminal do componente acabar sendo muito pequeno (ou vice-versa), um adesivo poderia ser usado para ajudar a fixar a peça à PCB. Se as peças em questão gerarem muito calor, um epóxi de 2 componentes ou outro adesivo pode degradar em altas temperaturas. Em vez disso, uma pasta térmica poderia ser usada na peça, pois isso fornecerá adesão e transferência de calor com um único material. A exalação de gases desses materiais precisa ser testada, e a força da ligação deve ser testada.

Obtendo Componentes MIL-SPEC

Componentes projetados para resistir a condições adversas encontradas na aeroespacial normalmente são comercializados como componentes MIL-SPEC, em referência aos padrões de Especificação Militar estabelecidos pelo Departamento de Defesa dos EUA (DoD). Muitos fornecedores de componentes SMD, como Vishay e Kemet, oferecem uma linha de componentes MIL-SPEC que podem não estar disponíveis através de distribuidores comerciais como Digi-Key ou Mouser. Em vez disso, os clientes precisarão contatar o fornecedor diretamente para obter os componentes.

Como parte de um pacote de dados para esses componentes, os fornecedores podem fornecer dados de teste que comprovam a confiabilidade em várias condições operacionais, variando de grandes variações de temperatura a ambientes de vibração e vácuo.

Se um componente não for especificamente qualificado para MIL-SPEC, ainda assim poderá ser usado na aeroespacial, desde que possa ser comprovado como confiável em voo. Isso envolve uma série de testes de estresse, alguns dos quais são discutidos acima. Você também pode conferir os seguintes recursos:

• O Desafio de Design e Teste de PCBA de Alta Confiabilidade
• Visão Geral dos Testes de Confiabilidade e Análise de Falhas de PCB/PCBA
• O que é Teste de Queima para Eletrônicos?
• Projetando com Gerenciamento de Choque para PCBs de Aviônicos

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