Các thành phần SMD của bạn có đáng tin cậy cho ngành hàng không vũ trụ không?

Hệ thống hàng không vũ trụ là lĩnh vực đòi hỏi độ tin cậy tối cao, cả trong phân khúc thương mại lẫn quân sự. Những hệ thống này có thể hoạt động trong phạm vi rộng lớn của nhiệt độ, áp suất và độ cao, bao gồm cả quỹ đạo Trái Đất và xa hơn. Do đó, có một kỳ vọng về thời gian hoạt động liên tục cho các hệ thống hàng không vũ trụ, cũng như tuổi thọ dài với giá trị MTBF vượt quá 10,000 giờ hoạt động liên tục.

Các bộ phận SMD được sử dụng trong những môi trường này, đặc biệt là các mạch tích hợp và linh kiện thụ động, cần đáp ứng một số yêu cầu về vật liệu, cấu trúc và kiểm tra để đảm bảo tuổi thọ đầy đủ của các linh kiện có thể được thực hiện. Trước khi xây dựng BOM cho hệ thống hàng không vũ trụ của bạn, hãy chắc chắn bạn hiểu cách các bộ phận được chứng nhận cho chuyến bay.

Những Yếu Tố Linh Kiện Làm Giảm Độ Tin Cậy

Vật Liệu

Vật liệu cần đủ mạnh để chịu được sự thay đổi nhiệt độ lớn và rung động, nhưng có nhiều yếu tố hơn liên quan đến vật liệu được sử dụng trong các linh kiện điện tử. Bất kỳ yếu tố nào trong số này có thể dẫn đến hỏng linh kiện sớm khi thiết kế sẵn sàng cho chuyến bay:

• Vật liệu nhiệt dẻo cần được kiểm tra về khí thải nếu sản phẩm được triển khai ở độ cao rất lớn (áp suất thấp) hoặc môi trường chân không.
• Các kim loại có áp suất hơi cao, như kẽm và cadmium, không nên được sử dụng trong môi trường chân không vì những kim loại này sẽ bay hơi. Phủ niken có thể được sử dụng để ngăn chặn sự bay hơi, nhưng điều này cần được xác minh qua một số bài kiểm tra.
• Các thành phần chứa thiếc nguyên chất và một số lớp phủ dựa trên thiếc trên các thành phần có thể trải qua hiện tượng mọc râu trong quá trình bay. Điều này tạo ra rủi ro về việc chập mạch khi râu mọc theo thời gian.

Thân Kim Loại Của Thành Phần

Một thành phần với vỏ hoặc lớp bảo vệ bằng kim loại thường mạnh mẽ hơn về mặt cơ học so với các thành phần làm từ nhựa nhiệt dẻo, nhưng thân kim loại sẽ tạo ra nguy cơ chập mạch hoặc tạo tia lửa khi độ cao tăng lên. Điều này xảy ra bởi vì sức cách điện của không khí giảm khi độ cao tăng lên do mật độ không khí giảm ở độ cao cao hơn. Kết quả là, bất kỳ thiết bị điện hoặc thiết bị điện tử nào hoạt động ở độ cao cao có thể yêu cầu một Mức Cách Điện Cơ Bản (BIL) cao hơn hoặc khoảng cách lớn hơn giữa các dẫn điện để bù đắp cho sức cách điện thấp hơn.

Thực tế, nếu bạn xem xét tiêu chuẩn IPC-2221B về khoảng cách và đường điện mòn, bạn sẽ thấy rằng tiêu chuẩn này định nghĩa yêu cầu khoảng cách giữa các dẫn điện dựa trên chức năng của điện áp DC/điện áp AC đỉnh. Nếu bạn xem Bảng 6-1 và so sánh cột B2 và B3, bạn sẽ thấy rằng sự khác biệt lớn giữa các giá trị này dựa trên độ cao nơi bảng mạch được triển khai (xem chú thích trong hình dưới đây).

Yêu cầu khoảng cách dẫn điện IPC-2221B.Tìm hiểu thêm trong bài viết này.

Lưu ý rằng cột B4 và A5 chỉ định giá trị khoảng cách cho hai dẫn điện được phủ ở bất kỳ độ cao nào, và điều này cung cấp một giải pháp cho yêu cầu khoảng cách cao hơn đối với các dẫn điện không được phủ ở độ cao lớn. Vấn đề là lớp phủ có thể phát ra khí, tương tự như vấn đề vật liệu nhiệt dẻo được liệt kê ở trên. Bất kỳ lớp phủ, vật liệu đổ kín, hoặc chất bọc nên được kiểm tra về khí phát ra trước khi sử dụng.

Hỗ trợ Kết cấu

Mạch tích hợp và các linh kiện SMD không phải là những tấm vật liệu đơn giản, chúng có cấu trúc bên trong quyết định đến độ tin cậy cơ khí của chúng. Nếu một linh kiện không có cấu trúc bên trong đủ mạnh, linh kiện đó có thể hỏng ở áp suất thấp hoặc cao. Giống như kết quả nghiên cứu mà tôi đã thảo luận trong một blog khác về điện tử áp suất cao, cùng một nhóm linh kiện có thể hỏng ở áp suất thấp. Kiểm tra trong môi trường HV/UHV trong thời gian dài và kiểm tra sau đó có thể được sử dụng để xác định những linh kiện nào sẽ hỏng ở áp suất thấp.

Các Bộ Phận Lệch Tâm Dọc

Một số bộ phận có thể không nằm bằng phẳng trên các pad hạ cánh, hoặc có thể có khoảng cách lớn giữa bộ phận và PCB. Điều này tạo ra rủi ro về dao động biên độ lớn trong quá trình bay, dẫn đến mệt mỏi hàn và hỏng của bộ lắp ráp.

Để giải quyết vấn đề này, có thể cần một khoảng cách hoặc hợp chất lấp đầy dưới bộ phận để lấp đầy khoảng cách quá lớn giữa bộ phận và PCB. Hợp chất lấp đầy có thể là epoxy hoặc một khoảng cách nhựa nhỏ, nhưng sự hỗ trợ này cần được kiểm định về khí thải và độ tin cậy nhiệt. Hợp chất lấp đầy epoxy có thể khó làm việc dưới các linh kiện nhỏ; hãy tham khảo ý kiến với một nhà lắp ráp PCB tuân thủ MIL-SPEC về khả năng và quy trình của họ trong việc áp dụng một khoảng cách hoặc chất lấp đầy dưới những linh kiện này.

Pad Hạ Cánh

Việc thiết kế và lắp ráp các bộ phận có mật độ cao có thể khó khăn để đạt tiêu chuẩn Lớp 3/3A, điều này là yêu cầu đối với điện tử hàng không vũ trụ. Mẫu đất phải được thiết kế để đảm bảo một lượng hàn lớn đủ được hình thành trên các chân dẫn lộ ra. Tương tự, các chân dẫn cần phải đủ lớn để giữ một lượng hàn lớn đủ. Nếu không đáp ứng được điều kiện nào, có thể sẽ không có đủ lượng hàn để chịu đựng được va đập cơ học hoặc rung động trong quá trình bay.

Trong trường hợp lượng hàn trên chân linh kiện quá nhỏ (hoặc ngược lại), một loại keo dính có thể được sử dụng để giúp cố định phần tử vào PCB. Nếu các bộ phận đó tạo ra nhiều nhiệt, một loại keo epoxy 2 thành phần hoặc keo dính khác có thể bị suy giảm ở nhiệt độ cao. Thay vào đó, một keo tản nhiệt có thể được sử dụng trên bộ phận vì điều này sẽ cung cấp độ bám dính và truyền nhiệt với một vật liệu duy nhất. Sự thoát khí của các vật liệu này cần được kiểm tra, và độ bền của liên kết cũng cần được kiểm tra.

Thu thập Linh Kiện MIL-SPEC

Các linh kiện được thiết kế để chịu đựng những điều kiện khắc nghiệt trong ngành hàng không vũ trụ thường được quảng cáo là linh kiện MIL-SPEC, tham chiếu đến các tiêu chuẩn Quy định Quân sự do Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ (DoD) đặt ra. Nhiều nhà cung cấp linh kiện SMD, như Vishay và Kemet, cung cấp một dòng linh kiện MIL-SPEC có thể không có sẵn qua các nhà phân phối thương mại như Digi-Key hay Mouser. Thay vào đó, khách hàng cần liên hệ trực tiếp với nhà cung cấp để lấy linh kiện.

Là một phần của gói dữ liệu cho những linh kiện này, nhà cung cấp có thể cung cấp dữ liệu kiểm tra chứng minh độ tin cậy trong các điều kiện hoạt động khác nhau, từ biến động nhiệt độ lớn đến môi trường rung động và chân không.

Nếu một linh kiện không cụ thể được chứng nhận cho MIL-SPEC, nó vẫn có thể được sử dụng cho hàng không vũ trụ miễn là có thể chứng minh được độ tin cậy trong chuyến bay. Điều này liên quan đến một loạt các bài kiểm tra căng thẳng, một số trong số đó đã được thảo luận ở trên. Bạn cũng có thể tham khảo các nguồn tài liệu sau:

• Thách thức Thiết kế và Kiểm tra Độ Tin cậy PCBA Cao
• Tổng quan về Kiểm tra Độ Tin cậy và Phân tích Hỏng hóc PCB/PCBA
• Thử nghiệm Burn-in cho Điện tử là gì?
• Thiết kế với Quản lý Sốc cho PCB Avionics

Dù bạn cần xây dựng điện tử công suất đáng tin cậy hay hệ thống số tiên tiến, hãy sử dụng bộ tính năng thiết kế PCB đầy đủ và công cụ CAD hàng đầu thế giới trong Altium Designer. Để thực hiện sự hợp tác trong môi trường liên ngành ngày nay, các công ty đổi mới đang sử dụng nền tảng Altium 365 để dễ dàng chia sẻ dữ liệu thiết kế và đưa dự án vào sản xuất.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.