Printplaten voor de lucht- en ruimtevaart- en militaire toepassingen moeten een hoge graad van betrouwbaarheid en robuustheid bezitten, zonder enige marge voor fouten te bieden. Uitdagende toepassingen, zoals ruimtemissies, vereisen een nauwkeurig begrip van hoe printplaten moeten worden ontworpen en gemaakt om een zeer lange bedrijfsperiode te garanderen, in vaak zeer extreme bedrijfsomstandigheden. In tegenstelling tot de meeste traditionele printplaten worden printplaten die in lucht- en ruimtevaarttoepassingen worden gebruikt, blootgesteld aan extreme omgevingsomstandigheden, straling, chemicaliën, verontreinigende stoffen enzovoort.
Hieruit volgt dat deze schakelingen moeten voldoen aan zeer strenge normen, zoals de IPC-A-610E klasse 3, die betrekking heeft op elektronische apparaten met hoge prestaties waarvan het bedrijf continu, zonder enige onderbreking, moet worden gegarandeerd, zelfs in de moeilijkste en meest kritische bedrijfsomstandigheden. Enkele van de belangrijkste toepassingen die onder het toepassingsgebied van de IPC-A-610E klasse 3-norm vallen, zijn de volgende:
- systemen voor satellietcommunicatie
- navigatiesystemen, controlesystemen en boordinstrumenten voor de luchtvaart
- toepassingen voor de verwerking op de grond van tijdens vluchten of missies geregistreerde gegevens (grondstations)
- passieve detectiesystemen
- UAV's (onbemande luchtvaartuigen)
Schakelingen voor lucht- en ruimtevaarttoepassingen worden blootgesteld aan extreme temperaturen en moeten bestand zijn tegen schokken en trillingen van aanzienlijke intensiteit en deze kunnen opvangen. Bovendien hebben zij veel kenmerken gemeen met printplaten voor RF-hoogfrequentietoepassingen, aangezien radiocommunicatie in de HF-band (of hoger) een fundamentele vereiste is voor deze systemen. Bij bedrijf op grote hoogte neemt ook het risico van straling toe en daarom moeten de printplaten (en de gebruikte elektronische componenten) zo zijn ontworpen dat zij gedurende lange tijd bestand zijn tegen hoge stralingsniveaus zonder beschadigd te raken.
In de volgende paragrafen zullen enkele van de meest gebruikelijke richtlijnen en aanbevelingen worden gepresenteerd om de ontwerper te helpen bij de delicate, maar ook lonende en bevredigende taak van het ontwerpen van een printplaat voor gebruik in de lucht- en ruimtevaart.
1 – Kies materialen van hoge kwaliteit
In de lucht- en ruimtevaartsector zijn betrouwbaarheid en duurzaamheid twee vereisten die niet kunnen worden genegeerd. In dit soort toepassingen moeten de schakelingen continu en zonder storingen werken gedurende lange perioden (over het algemeen van minimaal 5 jaar tot 15 jaar of meer), in aanmerking nemend dat onderhoudsinterventies niet mogelijk zijn of exorbitante kosten met zich meebrengen. De algemene regel is het gebruik van materialen en onderdelen van hoge kwaliteit, die gedurende lange perioden op de markt beschikbaar blijven.
Een veel voorkomend alternatief voor koper is geanodiseerd aluminium, dat in staat is veel van de problemen in verband met de afvoer van warmte op te lossen. Geanodiseerd aluminium heeft namelijk een warmtegeleidingsvermogen dat 5 tot 10 maal hoger ligt dan dat van traditionele materialen zoals FR-4, bij een dikte die 10 maal kleiner is. Bovendien kan het warmte exponentieel efficiënter overdragen dan een conventionele printplaat en minimaliseert het de effecten van oxidatie door warmte.
2 – Gebruik zwaar koper
Zwaar koper met koperdiktes variërend van 2 tot 6 oz/ft2 (of meer), maakt het mogelijk warmte af te voeren op een natuurlijke manier, zonder dat extra koelsystemen vereist zijn, zelfs bij stroom met een hoge intensiteit. Veel fabrikanten stellen voor om oplossingen in zwaar koper te combineren met de toevoeging van talrijke thermische via’s om de warmteafvoer verder te verbeteren. Figuur 1 toont het detail van een meerlaagse printplaat met een laag in zwaar koper.
Figuur 1: Printplaat met een laag in zwaar koper
3 – Houd u aan de referentienormen
Printplaten voor de lucht- en ruimtevaartindustrie moeten met een minimum aan onderhoud werken en aan strenge veiligheids- en kwaliteitsnormen voldoen. Daarom moeten ontwerpers en fabrikanten van printplaten voor lucht- en ruimtevaarttoepassingen een specifieke reeks referentienormen volgen. Tot deze referentienormen behoort de IPC 6012DS, een addendum bij de IPC-6012D-norm die kwalificatie- en prestatie-eisen geeft voor stijve printplaten voor lucht- en ruimtevaart- en militaire toepassingen. Deze norm kan worden beschouwd als een verbeterde versie van de IPC klasse 3-norm.
Zeer belangrijk is ook de ruimtevaartnorm AS/EN 9100, die een reeks normen bevat die door de IAQG (International Aerospace Quality Group) zijn ontwikkeld voor kwaliteits- en risicobeheer in de lucht- en ruimtevaartsector. Deze norm is internationaal goedgekeurd en vertegenwoordigt het kwaliteitsbeheersysteem dat van toepassing is op de lucht- en ruimtevaartindustrie. Vergeleken met de ISO9001-norm, waarmee hij veel gemeenschappelijk heeft, introduceert de AS/EN 9100-norm aanvullende eisen die specifiek voor de lucht- en ruimtevaartcontext zijn opgesteld. Printplaten die voor dit soort toepassingen zijn ontworpen, moeten aan de norm voldoen en vergezeld gaan van een certificering waaruit de kwaliteit van het productieproces blijkt.
4 – Zorg voor een uitstekend thermisch beheer
Zoals hierboven vermeld, moeten printplaten voor de lucht- en ruimtevaart zorgen voor een uitstekende warmteafvoer, zonder dat het gebruik van externe koelplaten vereist is. Naast zwaar koper en het uitgebreide gebruik van thermische via’s kunnen speciale oplossingen op basis van materialen zoals Pyralux AP, FR408 en andere metalen materialen en componenten worden gebruikt. Vergeleken met traditionele printplaten verdient het ook de voorkeur om de afstand tussen de componenten te vergroten, zodat ze een groter volume aan ruimte hebben voor de warmteafvoer.
5- Gebruik gelijkmatige coating
De afwerkingsmaterialen van printplaten moeten zo worden gekozen dat zij bestand zijn tegen de meest extreme bedrijfsomstandigheden. De belangrijkste gelijkmatige coatingtechnieken zijn elektrolytisch nikkelgoud, ENIG (Electroless Nickel with Immersion Gold Coating), chemisch zilver, HASL (Hot Air Solder Leveling) en loodvrije HASL. Het aanbrengen van gelijkmatige coating biedt bescherming tegen hitte, vochtigheid, water en trillingen, allemaal omstandigheden die in lucht- en ruimtevaarttoepassingen voorkomen. Gelijkmatige coating moet ook worden gevolgd door het aanbrengen van een spray op acrylbasis om de uiteindelijke printplaat te beschermen tegen verontreiniging of accidentele kortsluiting. Figuur 2 toont het detail van een printplaat met gelijkmatige HASL-coating.
Figuur 2: Printplaat met gelijkmatige HASL-coating
6 – Richtlijnen voor de geleiding
De afmetingen van de printplaatsporen moeten zo worden gekozen dat ze de maximale stroombelasting aankunnen en een uitstekende warmteafvoer garanderen in alle bedrijfsomstandigheden. Zoals in schakelingen met hoogfrequente signalen moeten de hoeken op de sporen kleiner zijn dan 45°, wat de uniforme en regelmatige transmissie van het signaal doorheen de schakeling bevordert. Elektronische componenten die op lage frequenties werken, moeten gescheiden worden van componenten die op hoge frequenties werken. Deze laatste kunnen namelijk golfvormen en storingen opwekken die het bedrijf van laagfrequente componenten kunnen beïnvloeden. De golfvormen en ruis veroorzaken een degradatie van de signaalkwaliteit, waardoor de integriteit van het signaal, die voor deze toepassingen een dwingende vereiste is, in het gedrang komt. De kloksignalen moeten worden voorzien van een passende fysieke afscherming, die tijdens de ontwerpfase wordt gecreëerd door omhulsels van aluminium of soortgelijke materialen aan te brengen. Zoals in elke RF-printplaat moeten ook de regels worden toegepast om overspraakverschijnselen tussen aangrenzende sporen te verminderen of te beperken.
7 – Gebruik van flexibele en stijve-flexibele printplaten
Zeer gebruikelijk in satelliet- en vliegtuigelektronicasystemen zijn flexibele (figuur 3) en stijve-flexibele printplaten, met het verschil dat zij, in vergelijking met industriële of automobieltoepassingen, hoofdzakelijk worden vervaardigd met polyamide in plaats van FR-4. Dit materiaal heeft de eigenschap dat het zich gemakkelijk aanpast aan kleine ruimten, het is zeer licht en bestand tegen hitte en chemische stoffen en het garandeert een hoge duurzaamheid.
Figuur 3: flexibele printplaat (bron: Altium)
Flexibele en stijve-flexibele printplaten worden op grote schaal gebruikt in de lucht- en ruimtevaartindustrie vanwege hun vermogen om zich aan te passen aan kleine ruimten, hun hoge weerstand tegen trillingen, schokken, temperatuur en externe stoffen, hun uitstekende mechanische en elektrische verbinding en hun laag gewicht. Stijve-flexibele printplaten bestaan uit een combinatie van stijve en flexibele printplaten, die permanent met elkaar verbonden zijn. Het juiste gebruik van flexibele en stijve-flexibele printplaten biedt een optimale oplossing voor moeilijke toepassingen en toepassingen in een beperkte ruimte. Deze technologie biedt een veilige verbinding tussen de verschillende onderdelen van de schakeling, waarbij zowel de polariteit als de contactstabiliteit worden gewaarborgd en het aantal connectoren wordt beperkt.
Conclusie
Printplaten voor de lucht- en ruimtevaartsector, en meer in het algemeen alle elektronische schakelingen die moeten voldoen aan de IPC-A-610 klasse 3- en 3A-norm, moeten van meet af aan worden ontworpen met het oog op een hoge elektrische betrouwbaarheid, vooral in de moeilijkste en meest onconventionele bedrijfsomstandigheden. Het ontwerp van printplaten, te beginnen met de keuze van de meest geschikte materialen om extreme omgevingsomstandigheden aan te kunnen met een continue storingsvrije werking, vormt een zeer ambitieuze uitdaging voor elke elektronicaontwerper. In dit artikel worden enkele nuttige richtlijnen gegeven om de problematiek beter te begrijpen en een referentiepunt te bieden voor het ontwerp van printplaten voor lucht- en ruimtevaarttoepassingen.
