PCB per lo spazio: sfide nella progettazione di elettronica per ambienti estremi

La progettazione e la produzione di dispositivi elettronici in grado di resistere alle severe condizioni presenti nello spazio assumono un ruolo fondamentale nel campo dell'esplorazione cosmica. I circuiti stampati progettati per le missioni spaziali sono di estrema importanza per garantire l'affidabilità e la funzionalità dei sistemi elettronici. Questi PCB sono soggetti a sollecitazioni meccaniche, radiazioni, vuoto e temperature estreme, il che pone ingegneri e progettisti di fronte a sfide uniche. Questo articolo esplora le complessità della progettazione dei circuiti stampati per lo spazio e le soluzioni adottate dagli ingegneri per superare questi ostacoli.

Quali sono le sfide dei PCB per lo spazio?

Per resistere alle severe condizioni ambientali, i PCB per lo spazio sono progettati specificamente per operare senza interruzioni in ambienti saturi di radiazioni, vibrazioni e temperature estreme. Realizzati con materiali e tecniche di produzione all'avanguardia, questi PCB garantiscono prestazioni e affidabilità eccezionali.

Temperature estreme

Lo spazio è caratterizzato da notevoli variazioni di temperatura. Satelliti, sonde e rover attraversano varie regioni dello spazio e sono sottoposti a temperature e pressioni estreme. Le temperature possono variare da -200°C all'ombra di un corpo celeste a oltre 200°C se esposti alla luce diretta del sole. A tal fine sono necessarie sofisticate tecniche di gestione termica e materiali specializzati con bassi coefficienti di espansione termica.

Quando si devono affrontare temperature estreme, gli ingegneri ricorrono spesso a circuiti stampati (PCB) in ceramica. I materiali ceramici sono più resistenti alle fluttuazioni di temperatura grazie al loro basso coefficiente di espansione termica.

Radiazione ionizzante

Le radiazioni ionizzanti emanate da fonti celesti e dal sole permeano lo spazio, rappresentando un pericolo sostanziale per i componenti elettronici. Le radiazioni possono compromettere la funzionalità dei PCB e degradare le prestazioni dei semiconduttori. Per proteggere i componenti elettronici sensibili dagli effetti dannosi delle radiazioni, i PCB spaziali devono essere progettati da ingegneri che utilizzano materiali resistenti alle radiazioni, tra cui substrati ceramici e rivestimenti specializzati.

Stress meccanico

Durante il lancio e il dispiegamento dei veicoli spaziali, i PCB sono sottoposti a sollecitazioni meccaniche estreme. Le vibrazioni generate durante la fase di lancio e il dispiegamento degli array solari e di altri componenti possono causare danni strutturali. Per mitigare questo rischio, i progettisti incorporano meccanismi di assorbimento degli urti, tra cui materiali flessibili per PCB e rivestimenti conformi che salvaguardano l'integrità dei componenti elettronici.

Spesso composti di poliimmide, i PCB flessibili sono più efficaci nell'assorbire vibrazioni e disturbi rispetto alle loro controparti rigide. I rivestimenti conformi isolano la scheda a circuito stampato dai danni fisici durante i processi di lancio e distribuzione. Inoltre, per distribuire equamente le sollecitazioni meccaniche è necessaria una progettazione meticolosa del layout del PCB.

Degassamento

Creato durante la produzione, il degassamento è un difetto di saldatura a onda in cui l'aria rimane intrappolata all'interno di un PCB. L'aria crea cavità o soffiature che possono compromettere le prestazioni del PCB. Questo fenomeno si verifica sia durante la procedura di saldatura a onda o manuale, sia quando il circuito stampato viene sottoposto a un'operazione di vuoto spinto. Il degassamento dei PCB è spesso il risultato di una scelta impropria dei materiali e di una produzione difettosa. Poiché lo spazio è un vuoto quasi perfetto, privo di aria o di qualsiasi altro mezzo, un difetto come il degassamento (Figura 1) può potenzialmente contaminare componenti ottici sensibili, come le telecamere.

1: Degassamento creato nei giunti di saldatura dopo la saldatura manuale (Fonte: YouTube)

I materiali utilizzati nella fabbricazione di PCB compatibili con il vuoto cosmico hanno proprietà di degassamento minime. I materiali compositi come la poliimmide e il PTFE (Teflon) sono spesso utilizzati per le loro proprietà di degassamento eccezionalmente basse. Questi materiali aiutano a prevenire la contaminazione nel vuoto e contribuiscono all'affidabilità a lungo termine dei sistemi elettronici.

Vincoli di spazio e di peso

A causa delle severe limitazioni di peso e dimensioni dei veicoli spaziali, la creazione di sistemi elettronici compatti e leggeri è diventata un imperativo. Nella progettazione di PCB spaziali è necessario mantenere un delicato equilibrio tra dimensioni e funzionalità; l'architettura deve essere ottimizzata per massimizzare l'uso dello spazio disponibile. Utilizzando circuiti stampati (PCB) multistrato, tecniche avanzate di miniaturizzazione e soluzioni di packaging tridimensionale, gli ingegneri sono in grado di mantenere le prestazioni richieste nonostante questi difficili vincoli.

La tecnologia SMT e altre tecniche avanzate di miniaturizzazione facilitano la fabbricazione di componenti elettronici più compatti e leggeri. Affrontando la sfida delle dimensioni fisiche limitate, le soluzioni di packaging tridimensionale, come il System-in-Package (SiP) o il chip-on-board (COB), consentono di integrare più funzioni in uno spazio compatto.

Substrati per PCB spaziali

Per i PCB di tipo spaziale sono necessari substrati speciali in grado di resistere alle condizioni estreme dello spazio. I substrati più frequentemente utilizzati sono elencati di seguito.

Ceramica

Materiali come l'ossido di alluminio (Al₂O₃) e il nitruro di alluminio (AlN) sono ceramiche comunemente utilizzate. I bassi coefficienti di espansione termica delle ceramiche le rendono eccezionalmente stabili di fronte a temperature estreme. Inoltre, sono materiali termicamente conduttivi, il che favorisce la dissipazione del calore. I substrati ceramici offrono una soluzione resistente per le applicazioni spaziali grazie alla loro intrinseca resistenza alle radiazioni.

Vetroceramica

I materiali vetroceramici, tra cui la ceramica co-combusta a bassa temperatura (LTCC), si distinguono per le loro proprietà elettriche superiori, l'espansione termica minima e l'elevata conduttività termica. L'LTCC è un materiale particolarmente adatto alle applicazioni che richiedono l'integrazione di numerosi componenti in un unico package miniaturizzato.

Poliimmide

La poliimmide è un polimero flessibile e leggero. I substrati di poliimmide sono particolarmente adatti per i PCB flessibili, che possono assorbire le sollecitazioni meccaniche durante il lancio e il dispiegamento. Hanno anche una buona stabilità termica, che consente loro di resistere alle variazioni di temperatura. Tuttavia, il poliimmide potrebbe non essere adatto ad applicazioni con un'elevata esposizione alle radiazioni.

Materiali resistenti alle radiazioni

Per mitigare l'effetto delle radiazioni, che possono causare il malfunzionamento o la degenerazione dei componenti elettronici nel corso del tempo, i materiali resistenti alle radiazioni sono incorporati nei circuiti stampati di livello spaziale. Un esempio di tale sostanza è il laminato epossidico indurito dalle radiazioni. Un laminato di questo tipo è stato appositamente formulato per resistere agli impatti dannosi delle radiazioni ionizzanti. Le sue proprietà elettriche e meccaniche sono intenzionalmente preservate, anche se esposte alle radiazioni. La maggiore resistenza dei laminati epossidici induriti dalle radiazioni alla degradazione indotta dalle radiazioni garantisce la durata e l'affidabilità dei PCB per uso spaziale.

Inoltre, nei circuiti stampati di livello spaziale vengono utilizzate leghe di rame che presentano un'eccezionale resistenza alle radiazioni. Leghe come il rame-tungsteno (CuW) e il rame-molibdeno (CuMo) offrono una maggiore durata contro la degradazione e l'infragilimento causati dalle radiazioni. Contribuiscono a preservare le prestazioni elettriche e l'integrità strutturale dei circuiti stampati in ambienti con alti livelli di radiazioni.

Fogli di rame

I fogli di rame sono fondamentali per la funzionalità dei circuiti stampati di livello spaziale. Gli strati conduttivi sono utilizzati per facilitare la trasmissione dei segnali elettrici. I fogli di rame ad alte prestazioni sono utilizzati nei circuiti stampati (PCB) di livello spaziale per garantire un'integrità ottimale del segnale e ridurre la perdita di segnale.

I fogli di rame si distinguono per una serie di qualità essenziali. La loro elevata conducibilità termica facilita l'efficace dissipazione del calore dal PCB. Nelle applicazioni spaziali, dove i componenti generano radiazioni consistenti, questo aspetto è di estrema importanza. Oltre a presentare una bassa perdita di inserzione, queste lamine riducono la distorsione e l'attenuazione del segnale. Ciò garantisce una trasmissione costante del segnale, anche nelle applicazioni che prevedono l'uso di frequenze elevate.

PCB con nucleo in metallo

I circuiti stampati con nucleo metallico, che comprendono un nucleo di rame o alluminio circondato da uno strato dielettrico, sono particolarmente adatti per le applicazioni che richiedono un'efficiente dissipazione del calore grazie alla loro elevata conducibilità termica. Questo aspetto è fondamentale nell'ambiente spaziale, dove il controllo della temperatura è difficile.

Rogers serie RO4000

Una famiglia di laminati per alte frequenze, tra cui RO4350B e RO4003C, i materiali di Rogers sono specificamente progettati per l'uso in ambienti a microonde e RF. Alle alte frequenze, la serie RO4000 di Rogers offre un'eccezionale efficacia elettrica. Spesso questi substrati vengono utilizzati nelle missioni spaziali che richiedono capacità a radiofrequenza e a microonde.

PTFE (Teflon)

Il politetrafluoroetilene (PTFE) è ampiamente conosciuto con il nome commerciale di Teflon. Grazie alla sua bassa tangente di perdita e alla costante dielettrica, questo materiale è adatto per applicazioni ad alta frequenza. Inoltre, la sua eccezionale resistenza agli agenti chimici e le sue caratteristiche di degassamento minimo lo rendono adatto all'utilizzo in ambienti sotto vuoto come lo spazio.

FR-4 High-Tg

Sebbene l'FR-4, un substrato a base epossidica rinforzato con fibre di vetro, trovi ampia applicazione nei circuiti stampati commerciali (PCB), le varianti di FR-4 ad alta Tg (temperatura di transizione del vetro) sono progettate per sopportare temperature elevate. Rispetto all'FR-4 convenzionale, presentano una maggiore stabilità di fronte a temperature estreme, rendendoli utilizzabili per specifiche applicazioni spaziali.

Finitura superficiale

Scelte con cura, le finiture superficiali dei PCB per uso spaziale offrono resistenza all'ossidazione e garantiscono giunzioni di saldatura affidabili. Le finiture più utilizzate sono l'argento e l'oro per immersione (Figura 2).

Il rivestimento in argento ottenuto per immersione offre una conduttività e una resistenza alla corrosione superiori. Stabilendo una barriera sulle tracce di rame, protegge efficacemente dall'ossidazione e garantisce connessioni elettriche affidabili. L'argento in immersione è ideale per le applicazioni ad alta frequenza, grazie all'eccellente integrità del segnale e alla minima perdita di inserzione.

La finitura dorata a immersione, invece, fornisce una superficie eccezionalmente affidabile e duratura per le connessioni a saldare. La resistenza all'ossidazione dell'oro ne garantisce l'eccezionale saldabilità e la stabilità nel tempo. Oltre all'elevata conduttività elettrica, la finitura dorata a immersione è spesso utilizzata in applicazioni che richiedono connessioni di eccezionale affidabilità.

Figura 2: Un PCB trattato con finitura dorata ad immersione (Fonte: Linkedin)

Conclusioni

Complessa e ardua, la progettazione di PCB per lo spazio richiede una comprensione approfondita delle condizioni estremamente difficili che esistono nello spazio. Temperature estreme, esposizione alle radiazioni, condizioni di vuoto, sollecitazioni meccaniche e severe restrizioni di dimensioni e peso sono tutti ostacoli che gli ingegneri devono superare. Grazie all'impiego di materiali all'avanguardia, di efficaci strategie di gestione termica, di componenti resistenti alle radiazioni e di scrupolose metodologie di progettazione, gli ingegneri sono in grado di realizzare sistemi elettronici in grado di sopportare le difficili condizioni dell'esplorazione spaziale.

11.01.2024