A to jak na úrovni prototypové výroby, které se především věnuje česká Gatema PCB, tak i sériové výroby, kterou profesionálně zaštítí německý Kubatronik Leiterplatten. Obě firmy spadající do holdingu GATEMA group.

Definice a význam PCB kvalifikovaných pro vesmírné účely

Kvalifikované desky plošných spojů pro vesmírné aplikace, známé také jako kosmické nebo radiačně odolné PCB, jsou specializované plošné spoje navržené a vyrobené tak, aby splňovaly přísné požadavky a extrémní podmínky vesmírného prostředí.
Tyto PCB jsou konstruovány tak, aby odolaly výzvám, které vesmír přináší, včetně radiační expozice, teplotních extrémů, mechanických stresů a všude přítomného vakua. Jejich význam spočívá v jejich klíčové roli jako páteře elektronických systémů v kosmických aplikacích a v satelitech.

Rizikové výzvy a kritické nároky pro PCB do vesmírného prostředí

1. Radiace

Vesmír je prostoupen vysokoenergetickým zářením, včetně kosmických paprsků a slunečního záření, které mohou časem poškodit elektronické komponenty. PCB musí být navrženy tak, aby odolávaly radiačně indukovaným poruchám a zajistily spolehlivost vesmírných misí. Standardní PCB jsou náchylné k radiačně indukovaným poruchám. Vesmírné desky plošných spojů jsou certifikované PCB zahrnující materiály a návrhy odolné vůči záření, aby odolaly radiační expozici a minimalizovaly riziko poruch systémů.

2. Teplotní extrémy

Kosmické lodě zažívají dramatické teplotní výkyvy, od extrémního chladu hlubokého vesmíru po intenzivní teplo generované během sluneční expozice. PCB musí být konstruovány tak, aby odolaly těmto extrémům při zachování optimálního výkonu. Efektivní strategie tepelného managementu integrovaného do návrhu PCB, zabraňuje přehřátí a zajišťuje, že komponenty pracují v rámci svých specifikovaných teplotních rozsahů. Platí, že takovou desku nelze osadit komponenty, které by teplotní výkyvy nezvládaly.

3. Mechanický stres a kapacita/span>

Fáze startu a návratu zpět na Zem vystavují elektronické komponenty intenzivním mechanickým vibracím, šokům a gravitačním silám. PCB musí být dostatečně robustní, aby tyto stresy vydržely bez narušení funkčnosti. Kosmické lodě a satelity mají přísná omezení velikosti a hmotnosti. Vesmírně kvalifikované PCB jsou navrženy s ohledem na miniaturizaci, optimalizují využití prostoru při zachování funkčnosti.

4. Kontrola odplyňování

Ve vakuu vesmíru mohou materiály uvolňovat těkavé sloučeniny v procesu zvaném odplyňování. Tyto sloučeniny mohou kontaminovat citlivé přístroje a optiku, což zdůrazňuje potřebu materiálů s nízkým odplyňováním v návrhu PCB. Desky plošných spojů  pro kosmický průmysl používají materiály s nízkým odplyňováním, aby se zabránilo kontaminaci a zajistila se integrita palubního vybavení.

5. EMI/RFI interference

Kosmické lodě často nesou vědecké přístroje a komunikační zařízení citlivá na elektromagnetické interference (EMI) a radiové frekvenční interference (RFI). PCB by měly zahrnovat stínění a filtrační techniky k ochraně těchto citlivých komponent.

6. Spolehlivost

Vesmírné mise mohou trvat roky nebo dokonce desetiletí, což vyžaduje bezchybnou spolehlivost všech komponent, včetně PCB. Redundance a mechanismy tolerance chyb musí být integrovány do návrhu PCB, aby byla zajištěna nepřerušená činnost. Vesmírné projekty jsou nákladné a nenahraditelné. Selhání jakéhokoli palubního elektronického systému může vést k selhání celé mise. Proto jsou PCB pro vesmírné projekty navrženy s důrazem na spolehlivost. Musí na ně být spoleh, a jejich výrobce se zaručuje, že budou bezchybně fungovat, i v drsném vesmírném prostředí.

7. Energetická účinnost

Energie je ve vesmíru vzácným zdrojem. PCB musí být navrženy tak, aby minimalizovaly spotřebu energie a maximalizovaly životnost palubních baterií nebo energetických systémů. Energetické zdroje ve vesmíru jsou omezené, často spoléhající na solární panely nebo palubní baterie. PCB navržené pro kosmické aplikace zahrnují energeticky úsporné komponenty a uspořádání, aby prodloužily trvání mise.

Výběr materiálů pro desky plošných spojů využitelných ve vesmíru

Kvalifikované PCB pro vesmírné užití vyžadují pečlivý výběr materiálů, aby odolaly drsným podmínkám vesmírného prostředí.

V rámci výroby a výběru materiálu musíme dbát na 2 důležité aspekty, jsou to odolnost vůči záření a tepelné vlastnosti.

Odolnost vůči záření

Odolnost vůči záření je zásadní vlastnost v kosmických typech PCB. Na desky působí kosmické paprsky a sluneční záření. Klíčové materiály používané v takových PCB pro odolnost vůči záření zahrnují:

• Radiačně tvrzené polovodiče: Tyto speciálně navržené polovodiče využívají hradlové oxidy a izolované hradlové bipolární tranzistory (IGBT), aby odolávaly radiačně indukované ionizaci a degradaci komponent.
• Keramické substráty: Keramické materiály, jako je oxid hlinitý (Al2O3) nebo nitrid hlinitý (AlN), jsou preferovány pro substráty desek plošných spojů. Nabízejí vynikající odolnost vůči záření ve srovnání s organickými substráty.
• Radiačně tvrzené pasivační vrstvy: Pasivační vrstvy na polovodičových zařízeních jsou chráněny tak, aby odolávaly radiačnímu poškození a zajistili pokračující funkčnost aktivních komponent.

Image

Tepelné vlastnosti

Vzhledem k extrémním teplotním výkyvům ve vesmíru jsou tepelné vlastnosti materiálů pro PCB velmi důležité. Využívají se:

• Materiály s nízkou tepelnou roztažností: Materiály s nízkými koeficienty tepelné roztažnosti (CTE) jsou upřednostňovány. Tyto materiály se méně roztahují a smršťují při teplotních výkyvech, čímž snižují riziko poruch pájených spojů a odpadnutí komponent.
• Tepelně vodivé substráty: Materiály jako nitrid hlinitý (AlN) a oxid berylnatý (BeO) nabízejí vynikající tepelnou vodivost, umožňující účinné rozptýlení tepla generovaného výkonovými komponentami.
• Izolační vrstvy s vysokou tepelnou stabilitou: Izolační vrstvy používané mezi vodivými vrstvami PCB musí mít vysokou tepelnou stabilitu, aby odolaly teplotním cyklům bez degradace elektrických vlastností.

Materiály odolávající radiační expozici a zvládající teplotní extrémy. Jen takové materiály jsou vhodné pro výrobu desek plošných spojů kvalifikovaných  pro vesmírném prostředí.  

Design PCB pro kosmické aplikace

Návrh PCB pro kosmické aplikace je také důležitý pro zajištění spolehlivosti a funkčnosti elektronických systémů v drsném vesmírném prostředí. Tento návrh vyžaduje zvláštní pozornost věnovanou několika faktorům.

Snížení EMI a RFI

Elektromagnetické rušení (EMI) a rádiové frekvenční rušení (RFI) mohou mít významný dopad na výkon elektronických systémů v kosmických aplikacích. K minimalizaci těchto rušení jsou používány následující techniky:

• Použití diferenciálních párů: Přenášení signálů po diferenciálních párech může snížit náchylnost k EMI, protože rušení ovlivňuje oba vodiče stejně, což umožňuje jejich snadné potlačení.
• Stínění: Použití kovových stínicích vrstev nebo krytů kolem citlivých komponent může blokovat nežádoucí EMI a RFI.
• Filtrace: Použití filtrů, jako jsou LC filtry nebo feritové korálky, může pomoci odstranit nežádoucí vysokofrekvenční šum.

Image

Správa tepelného výkonu

Také vhodná správa tepelného výkonu je nezbytná komponenty desek pošlých spojů pro vesmírné aplikace, nepřehřívají se a zůstávají funkční v rámci svých provozních teplotních rozsahů. Mezi techniky tepelného řízení patří:

• Tepelně vodivé materiály: Použití materiálů s vysokou tepelnou vodivostí, jako je měď pro vodivé vrstvy a chladiče, může pomoci odvádět teplo pryč od citlivých komponent.
• Tepelné vias: Implementace tepelných vias, které propojují různé vrstvy PCB a pomáhají rozptýlit teplo z horkých oblastí.
• Tepelné simulace: Využití teplotních simulací během návrhu PCB může pomoci identifikovat horká místa a optimalizovat rozmístění komponent pro lepší rozptyl tepla.

Volba materiálů

Výběr materiálů rozhoduje, zda deska může odolat drsným podmínkám vesmírného prostředí. Vhodné dílčí výrobní materiály obsahují tyto vlastnosti:

• Substráty: Použití substrátů s vysokou tepelnou vodivostí a nízkou tepelnou roztažností, jako jsou keramické materiály nebo polytetrafluorethylen (PTFE).
• Pokovení: Pokovovací materiály musejí být odolné vůči korozi a oxidačním procesům. Příkladem je zlato (Au)  nebo palladium (Pd).
• Pájecí materiály: Použití pájecích materiálů s vysokou teplotní odolností a nízkou náchylností k odplyňování.

Image

Image

Mechanická odolnost

Mechanická odolnost určuje, jestli může deska plošných spojů odolat vibracím, nárazům a mechanickým stresům během startu a provozu. Mezi techniky zvyšování mechanické odolnosti patří:

• Zesílení desky: Použití zesilovacích vrstev nebo kovových jader pro zvýšení tuhosti PCB.
• Pájecí spoje: Použití kvalitních pájecích technik a materiálů k zajištění silných a odolných spojů.
• Mechanické upevnění: Použití mechanických upevňovacích prvků, jako jsou šrouby nebo svorky, k zajištění PCB a komponent.

Odplyňování

Ve vesmírném vakuu může dojít k odplyňování, což může negativně ovlivnit výkon elektronických systémů. Pro minimalizaci odplyňování jsou používány následující techniky:

• Volba materiálů: Vybírat materiály s nízkým odplyňováním, které jsou testovány a schváleny pro kosmické aplikace.
• Povrchové úpravy: Použití povrchových úprav, které snižují množství uvolňovaných těkavých látek.
• Pečlivé pájení: Využití pájecích technik a materiálů, které minimalizují odplyňování během provozu.

Dodržování těchto návrhových technik a výběr správných materiálů zajišťují, že PCB mohou spolehlivě fungovat v náročných podmínkách vesmírného prostředí. Tyto kroky nejenže zvyšují odolnost a životnost desek plošných spojů, ale také minimalizují riziko selhání misí, které jsou kritické a nákladné.

Kromě toho, využití pokročilých technologií a inovativních metod testování a validace přispívá k dosažení vysokých standardů kvality a spolehlivosti. V konečném důsledku, pečlivá a důsledná aplikace těchto principů umožňuje úspěšnou realizaci složitých vesmírných projektů a přispívá k dalšímu rozvoji a poznání v oblasti kosmického výzkumu.

Jak technologie pokračuje v evoluci, je nevyhnutelné, že nové výzvy a možnosti budou vyžadovat další zlepšení a adaptace. Avšak, s pevným základem v osvědčených postupech návrhu a výroby PCB můžeme s důvěrou čelit budoucím výzvám a pokračovat v rozšiřování hranic lidského poznání ve vesmíru.

Tady vidíte, že výroba desek plošných spojů pro vesmírné aplikace není pro každého, kdo desky plošných spojů nabízí.

Apel na dodržení zvýšených výrobních podmínek společně s využitím speciálních materiálů prostřednictvím slibu negarantuje spolehlivost a bezpečí.

Výrobce takových desek musí projít složitým certifikačním řízením, které zahrnuje prakticky všechna oddělení firmy. Musí optimalizovat výrobu, zajistit bezpečnost výrobních dat a odstranit zjištěné neshody. Teprve poté může získat certifikaci AS9100D, která ho řadí mezi výrobce elektronických komponent pro vesmírné užití.

U nás platí, že co se v Evropě vyrábí, se do Asie a jiných mimoevropských zemí, stejně jako pryč z Gatemy, nikdy nedostane.

Data jsou v bezpečí, jak to vyžadují zvýšená opatření normy AS9100D, a my tuto zásadu ctíme v celém holdingu Gatema jako součást naší firemní filozofie.