El diseño y la fabricación de dispositivos electrónicos capaces de soportar las severas condiciones del espacio han adquirido una importancia crítica en el afán de exploración cósmica. Las placas de circuito impreso (PCB) diseñadas para misiones espaciales son de la máxima importancia para garantizar la fiabilidad y funcionalidad de los sistemas electrónicos. Los PCB están sujetos a tensiones mecánicas, radiación, vacío y temperaturas extremas, lo que plantea a ingenieros y diseñadores desafíos únicos. En este artículo se exploran las complejidades del diseño de placas de circuito impreso (PCB) de grado espacial y las soluciones implementadas por los ingenieros para superar estas barreras.
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¿Cuáles son los desafíos de los PCB de grado espacial?
Para soportar las severas condiciones ambientales del espacio, los PCB de grado espacial están específicamente diseñados para funcionar sin excepción en entornos saturados de radiación, condiciones de alta vibración y temperaturas extremas. Elaborados con precisión con el empleo de materiales y técnicas de fabricación de vanguardia, estos PCB garantizan un rendimiento y una fiabilidad excepcionales.
Temperaturas extremas
El espacio se caracteriza por experimentar variaciones significativas de temperatura. Satélites, sondas y vehículos exploradores atraviesan diversas regiones del espacio estando sometidos a temperaturas y presiones extremas. Las temperaturas pueden oscilar desde los -200ºC a la sombra de un cuerpo celestial hasta más de 200ºC en su exposición a la luz solar directa. Se requieren sofisticadas técnicas de gestión térmica y materiales especializados con bajos coeficientes de expansión térmica para cumplir este objetivo.
Al enfrentarse a temperaturas extremas, los ingenieros frecuentemente emplean placas de circuito impreso (PCB) de cerámica. Los materiales cerámicos son más resistentes a las fluctuaciones de temperatura debido a su bajo coeficiente de expansión térmica. Estos materiales demuestran estabilidad y fiabilidad en un entorno marcado por las fluctuaciones extremas de temperatura que se dan en el espacio exterior.
Radiación ionizante
La radiación ionizante que emana de fuentes celestes y del sol penetra en el espacio, presentando un peligro sustancial para los componentes electrónicos. La radiación puede perturbar la funcionalidad de los PCB y degradar el rendimiento de los semiconductores. Para proteger los componentes electrónicos sensibles de los nocivos efectos de la radiación, los ingenieros deben diseñar los PCB de grado espacial con el empleo de materiales resistentes a la radiación, entre los que se incluyen sustratos cerámicos y revestimientos especializados.
Tensiones mecánicas
Durante el lanzamiento y despliegue de una nave espacial, los PCB están sometidos a tensiones mecánicas extremas. Pueden producirse daños estructurales por las vibraciones generadas durante la fase de lanzamiento y despliegue de paneles solares y otros componentes. Al objeto de mitigar esta dificultad, los diseñadores incorporan mecanismos amortiguadores que incluyen materiales de PCB flexibles y revestimientos conformados, con el fin de salvaguardar la integridad de los componentes electrónicos.
Los PCB flexibles, que con frecuencia están compuestos de poliimida, son más eficientes en términos de absorción de las vibraciones y perturbaciones que sus homólogos rígidos. Los revestimientos conformados aíslan las placas de circuito impreso (PCB) de los daños físicos durante los procesos de lanzamiento y despliegue. Asimismo, se requiere un meticuloso diseño del PCB para distribuir las tensiones mecánicas equitativamente.
Desgasificación
La desgasificación, que se produce durante la fabricación, es un defecto de la soldadura por ola en el que el aire queda atrapado en el interior de un PCB. El aire crea cavidades o sopladuras que tienen el potencial de perjudicar el rendimiento del PCB. Este fenómeno se produce tanto durante el procedimiento de soldadura por ola/manual como si la placa de circuito se somete a un ajuste de alto vacío. La desgasificación del PCB con frecuencia es el resultado de una selección inadecuada del material y de una fabricación defectuosa. Puesto que el espacio es un vacío casi perfecto, desprovisto de aire o cualquier otro medio, un defecto como la desgasificación (Figura 1) puede contaminar componentes ópticos sensibles, como las cámaras.
Figura 1: Desgasificación creada en las uniones de soldadura tras la soldadura manual (fuente: YouTube)
Los materiales utilizados en la fabricación de PCB compatibles con el vacío tienen propiedades de desgasificación mínimas. Los compuestos como la poliimida y el PTFE (teflón) se emplean frecuentemente debido a sus propiedades de desgasificación excepcionalmente bajas. Estos materiales ayudan a evitar la contaminación en el vacío del espacio y contribuyen a la fiabilidad a largo plazo de los sistemas electrónicos.
Limitaciones de espacio y peso
A causa de las estrictas restricciones en cuanto a peso y tamaño de las naves espaciales, la creación de sistemas electrónicos que sean a la vez compactos y ligeros se ha convertido en un imperativo. Debe mantenerse un delicado equilibrio entre el tamaño y la funcionalidad a la hora de diseñar PCB de grado espacial; la arquitectura debe optimizarse para maximizar el uso del espacio disponible. Por medio del uso de placas de circuito impreso (PCB) multicapa, técnicas de miniaturización avanzadas y soluciones de encapsulado tridimensional, los ingenieros pueden mantener el rendimiento requerido pese a tan difíciles limitaciones.
SMT y otras técnicas avanzadas de miniaturización facilitan la fabricación de componentes electrónicos que sean a la vez más compactos y ligeros. Al abordar el desafío de las dimensiones físicas limitadas, las soluciones de encapsulado tridimensional, como System-in-Package (SiP) o chip-on-board (COB), permiten la integración de múltiples funciones en un espacio compacto.
Sustratos para PCB espaciales
Se requieren sustratos especializados capaces de soportar las rigurosas condiciones del espacio exterior para los PCB de grado espacial. A continuación se enumeran los sustratos utilizados con más frecuencia:
Cerámica
Los materiales cerámicos más utilizados son la alúmina (Al2O3) y el nitruro de aluminio (AIN). Los bajos coeficientes de expansión térmica de los materiales cerámicos los hacen excepcionalmente estables frente a temperaturas extremas. Además, son conductores térmicos, lo que contribuye a la disipación del calor. Los sustratos cerámicos ofrecen una solución resiliente para aplicaciones espaciales gracias a su resistencia intrínseca a la radiación.
Vitrocerámica
Los materiales vitrocerámicos, incluida la cerámica de cocción a baja temperatura (Low-Temperatura Co-Fired Ceramics - LTCC) se distinguen por sus propiedades eléctricas superiores, mínima expansión térmica y elevada conductividad térmica. Los LTCC son especialmente adecuados para aplicaciones que necesitan la integración de numerosos componentes en un encapsulado aislado y la miniaturización.
Poliimida
La poliimida es un polímero flexible y ligero. Los sustratos de poliimida son perfectamente adecuados para PCB flexibles, que pueden absorber tensiones mecánicas durante el lanzamiento y el despliegue. También poseen una buena estabilidad térmica, lo que les permite soportar variaciones de temperatura. Sin embargo, la poliimida puede no ser adecuada para aplicaciones con alta exposición a la radiación.
Materiales resistentes a la radiación
Para mitigar el efecto de la radiación, que puede causar averías o degeneración con el tiempo de los componentes electrónicos, se incorporan materiales resistentes a la radiación en los PCB de grado espacial. Un ejemplo de tales sustancias es el laminado epoxi endurecidos por radiación. Un laminado de esta naturaleza ha sido especialmente formulado para resistir los nocivos impactos de la radiación ionizante. Sus propiedades eléctricas y mecánicas se preservan intencionadamente, incluso si se exponen a la radiación. La mayor resistencia de los laminados epoxi endurecidos por radiación a la degradación inducida por radiación asegura la durabilidad y fiabilidad de los PCB de grado espacial.
Además, en las placas de circuito impreso de grado espacial se utilizan aleaciones de cobre que cuentan con una excepcional resistencia a la radiación. Aleaciones como el cobre-tungsteno (CuW) y el cobre-molibdeno (CuMo) proporcionan una durabilidad mejorada frente a la degradación y la fragilización causadas por la radiación. Contribuyen a preservar el rendimiento eléctrico y la integridad estructural de los PCB en entornos con elevados niveles de radiación.
Láminas de cobre
Las láminas de cobre son vitales para la funcionalidad de los PCB de grado espacial. Se implementan capas conductoras a fin de facilitar la transmisión de señales eléctricas. Se utilizan láminas de cobre de alto rendimiento en las placas de circuito impreso (PCB) de grado espacial para garantizar una integridad óptima de la señal y reducir la pérdida de señal.
Las láminas de cobre de alto rendimiento se distinguen por una serie de cualidades esenciales. Su elevada conductividad térmica facilita una disipación efectiva del calor fuera del PCB. En aplicaciones espaciales, donde los componentes generan una radiación sustancial, esto reviste suma importancia. Además de tener una baja pérdida de inserción, estas láminas reducen la distorsión y atenuación de la señal. Esto garantiza una transmisión consistente de la señal, incluso en aplicaciones que implican altas frecuencias.
PCB con núcleo metálico
Los PCB con núcleo metálico que están compuestos por un núcleo de cobre o aluminio rodeado de una capa dieléctrica, son muy adecuados para aplicaciones que requieren una eficiente disipación del calor debido a su elevada conductividad térmica. Este factor es crucial en el entorno espacial, donde es difícil controlar la temperatura.
Serie Rogers RO4000
Una familia de laminados de alta frecuencia, que incluyen los laminados RO4350B y RO4003C, los materiales de la serie Rogers están específicamente diseñados para su uso en entornos de microondas y RF. A altas frecuencias, la serie Rogers RO4000 proporciona una excepcional eficacia eléctrica. Frecuentemente, estos sustratos se utilizan en misiones espaciales que exigen capacidades de RF y microondas.
PTFE (teflón)
El politetrafluoroetileno (PTFE) es ampliamente reconocido bajo la denominación comercial de teflón. Debido a su baja tangente de pérdida y constante dieléctrica, este material es apropiado para aplicaciones de alta frecuencia. Asimismo, su excepcional resistencia a los productos químicos y sus características de degasificación mínima lo hacen adecuado para su uso en entornos de vacío como el espacio.
FR-4 de Alta Tg
Aunque el FR-4, un sustrato a base de epoxi reforzado con fibras de vidrio prevalente, tiene una amplia aplicación en las placas de circuitos impresos (PCB) comerciales, las variantes de FR-4 de alta Tg (temperatura de transición vítrea) están diseñadas para soportar temperaturas elevadas. En comparación con el FR-4 convencional, presentan una mayor estabilidad frente a temperaturas extremas, lo que hace que sean viables para aplicaciones espaciales específicas.
Acabado superficial
Seleccionados cuidadosamente, los acabados superficiales de los PCB de grado espacial proporcionan resistencia a la oxidación y garantizan unas uniones de soldadura fiables. Los acabados más frecuentes son el plateado por inmersión y el dorado por inmersión (Figura 2).
El recubrimiento de plata conseguido mediante inmersión ofrece una conductividad y una resistencia a la corrosión superiores. Al establecer una barrera sobre las trazas de cobre, salvaguarda eficazmente frente a la oxidación y garantiza unas conexiones eléctricas fiables. La plata en inmersión es ideal para aplicaciones de alta frecuencia debido a su excelente integridad de la señal y mínima pérdida de inserción.
En cambio, el acabado en oro por inmersión proporciona una superficie excepcionalmente fiable y duradera para las conexiones de soldadura. La resistencia a la oxidación del oro garantiza su excepcional soldabilidad y una estabilidad duradera. Además de su elevada conductividad eléctrica, el acabado en oro por inmersión se emplea frecuentemente en aplicaciones que exigen conexiones con una fiabilidad excepcional.
Figura 2: PCB tratado con acabado en oro por inmersión (fuente: Linkedin)
Conclusión
El diseño de PCB de grado espacial, un proceso complejo y arduo, requiere una comprensión en profundidad de las condiciones extremadamente rigurosas que se dan en el espacio. Temperaturas extremas, exposición a la radiación, condiciones de vacío, tensiones mecánicas y rigurosas restricciones de tamaño y peso son obstáculos que los ingenieros deben superar. Mediante la implementación de materiales punteros, estrategias eficientes de gestión térmica, componentes resistentes a la radiación y escrupulosas metodologías de diseño, los ingenieros pueden fabricar sistemas electrónicos que cuenten con la capacidad de soportar las exigentes condiciones inherentes a la exploración espacial.
11.01.2024
