Het ontwerpen en produceren van elektronische apparaten die bestand zijn tegen de zware omstandigheden in de ruimte is van cruciaal belang geworden in het streven naar kosmische exploratie. Voor ruimtemissies ontworpen printplaten zijn van het grootste belang om de betrouwbaarheid en functionaliteit van elektronische systemen te waarborgen. De printplaten worden blootgesteld aan mechanische spanningen, straling, vacuüm en extreme temperaturen, wat ingenieurs en ontwerpers voor unieke uitdagingen stelt. Dit artikel verkent de fijne kneepjes van het ontwerp van printplaten voor gebruik in de ruimte en de oplossingen die ingenieurs toepassen om deze barrières te overwinnen.
Wat zijn de uitdagingen bij printplaten voor gebruik in de ruimte?
Om de zware omgevingsomstandigheden van de ruimte te doorstaan, zijn printplaten voor gebruik in de ruimte speciaal ontworpen om zonder uitzondering te functioneren in omgevingen die verzadigd zijn met straling, hoge trillingen en extreme temperaturen. Deze printplaten zijn met precisie vervaardigd met geavanceerde materialen en productietechnieken om uitstekende prestaties en betrouwbaarheid te garanderen.
Extreme temperaturen
De ruimte wordt gekenmerkt door aanzienlijke temperatuurvariaties. Satellieten, sondes en rovers doorkruisen verschillende delen van de ruimte en worden daarbij blootgesteld aan extreme temperaturen en druk. De temperaturen kunnen variëren van -200°C in de schaduw van een hemellichaam tot meer dan 200°C bij blootstelling aan direct zonlicht. Geavanceerde technieken voor thermisch beheer en gespecialiseerde materialen met een lage thermische uitzettingscoëfficiënt zijn vereist om dit aan te kunnen.
Wanneer ingenieurs geconfronteerd worden met extreme temperaturen, gebruiken ze vaak keramische printplaten. Keramische materialen zijn beter bestand tegen temperatuurschommelingen door hun lage thermische uitzettingscoëfficiënt. Deze materialen geven blijk van stabiliteit en betrouwbaarheid bij de extreme temperatuurschommelingen die in de ruimte voorkomen.
Ioniserende straling
Ioniserende straling afkomstig van hemellichamen en de zon doordringt de ruimte en vormt een aanzienlijk gevaar voor elektronische componenten. Straling kan de functionaliteit van printplaten verstoren en de prestaties van halfgeleiders verminderen. Om gevoelige elektronische componenten te beschermen tegen de schadelijke effecten van straling, moeten printplaten voor gebruik in de ruimte worden ontworpen door ingenieurs die gebruikmaken van stralingsbestendige materialen, zoals keramische substraten en gespecialiseerde coatings.
Mechanische spanningen
Tijdens de lancering en inzet van ruimtevaartuigen worden printplaten blootgesteld aan extreme mechanische spanningen. De trillingen die worden gegenereerd tijdens de lanceringsfase en de inzet van zonnepanelen en andere componenten kunnen structurele schade veroorzaken. Om dit probleem te beperken, gebruiken ontwerpers schokabsorberende mechanismen, zoals flexibele printplaatmaterialen en conformele coatings, om de integriteit van elektronische componenten te waarborgen.
Flexibele printplaten, die vaak uit polyimide bestaan, zijn meer doeltreffend in het absorberen van trillingen en storingen dan hun stijve tegenhangers. Conformele coatings isoleren de printplaat tegen fysieke schade tijdens de lancerings- en gebruiksprocessen. Daarnaast is een zorgvuldig ontwerp van de lay-out van de printplaat vereist om mechanische spanningen gelijkmatig te verdelen.
Uitgassen
Uitgassen treedt op tijdens het productieproces en is een defect bij golfsolderen waarbij lucht opgesloten raakt in een printplaat. De lucht creëert holtes of blaasgaten die de prestaties van de printplaat kunnen schaden. Dit fenomeen doet zich zowel voor tijdens het golf-/handsoldeerproces als wanneer de printplaat wordt blootgesteld aan een hoog vacuüm. Uitgassen van printplaten is vaak het gevolg van een verkeerde materiaalkeuze en een gebrekkige fabricage. Aangezien de ruimte een bijna perfect vacuüm is, zonder lucht of enig ander medium, kan een defect zoals uitgassen (Figuur 1) gevoelige optische componenten, zoals camera's, verontreinigen.
Figuur 1: Uitgassen in de soldeerverbindingen na handmatig solderen (Bron: YouTube)
Materialen die worden gebruikt bij productie van printplaten die geschikt zijn voor vacuüm, hebben minimale uitgaseigenschappen. Composieten zoals polyimide en PTFE (Teflon) worden vaak gebruikt vanwege hun uitzonderlijk lage uitgaseigenschappen. Deze materialen helpen om verontreiniging in het vacuüm van de ruimte te voorkomen en dragen bij aan de betrouwbaarheid van elektronische systemen op de lange termijn.
Ruimte- en gewichtsbeperkingen
Vanwege de strenge beperkingen voor gewicht en afmetingen in ruimtevaartuigen is het noodzakelijk geworden om elektronische systemen te maken die zowel compact als lichtgewicht zijn. Bij het ontwerpen van printplaten voor gebruik in de ruimte moet een delicaat evenwicht worden gehandhaafd tussen grootte en functionaliteit; de architectuur moet worden geoptimaliseerd om de beschikbare ruimte optimaal te benutten. Door gebruik te maken van meerlaagse printplaten, geavanceerde miniaturisatietechnieken en driedimensionale verpakkingsoplossingen kunnen ingenieurs de vereiste prestaties behouden ondanks deze moeilijke beperkingen.
SMT en andere geavanceerde miniaturisatietechnieken vergemakkelijken de fabricage van elektronische componenten die zowel compacter als lichter zijn. Door de uitdaging van beperkte fysieke afmetingen aan te pakken, maken driedimensionale verpakkingsoplossingen, zoals System-in-Package (SiP) of chip-on-board (COB) het mogelijk om meerdere functies te integreren in een compacte ruimte.
Substraten voor printplaten voor gebruik in de ruimte
Voor printplaten voor gebruik in de ruimte zijn gespecialiseerde substraten nodig die bestand zijn tegen de barre omstandigheden in de ruimte. De meest gebruikte substraten worden hieronder vermeld.
Keramiek
Materialen zoals alumina (Al2O3) en aluminiumnitride (AlN) zijn veelgebruikte keramische materialen. De lage thermische uitzettingscoëfficiënten van keramiek maken ze uitzonderlijk stabiel bij extreme temperaturen. Bovendien zijn ze thermisch geleidend, wat helpt bij de warmteafvoer. Keramische substraten bieden een veerkrachtige oplossing voor ruimtevaarttoepassingen dankzij hun intrinsieke weerstand tegen straling.
Glaskeramiek
Glaskeramische materialen, waaronder bij lage temperatuur meegestookte keramiek (Low-Temperature Co-Fired Ceramics, LTCC), onderscheiden zich door hun superieure elektrische eigenschappen, minimale thermische uitzetting en hoge thermische geleidbaarheid. LTCC is bijzonder geschikt voor toepassingen die de integratie van talrijke componenten in een enkele behuizing en miniaturisatie vereisen.
Polyimide
Polyimide is een flexibel en lichtgewicht polymeer. Polyimidesubstraten zijn bijzonder geschikt voor flexibele printplaten, die mechanische spanningen tijdens lancering en gebruik kunnen opvangen. Ze hebben ook een goede thermische stabiliteit, waardoor ze bestand zijn tegen temperatuurvariaties. Polyimide is echter mogelijk niet geschikt voor toepassingen met een hoge blootstelling aan straling.
Stralingsbestendige materialen
Om het effect van straling te beperken, waardoor elektronische componenten na verloop van tijd slecht gaan werken of degraderen, worden stralingsbestendige materialen verwerkt in printplaten voor gebruik in de ruimte verwerkt. Een voorbeeld van zo'n stof is stralingsgehard epoxylaminaat. Een dergelijk laminaat is speciaal samengesteld om de schadelijke effecten van ioniserende straling te weerstaan. De elektrische en mechanische eigenschappen blijven bewust behouden, zelfs bij blootstelling aan straling. De verhoogde weerstand van stralingsgehard epoxylaminaat tegen door straling veroorzaakte degradatie garandeert de duurzaamheid en betrouwbaarheid van printplaten voor gebruik in de ruimte.
Daarnaast worden koperlegeringen met een uitzonderlijke stralingsbestendigheid gebruikt in printplaten voor gebruik in de ruimte. Legeringen zoals koper-wolfraam (CuW) en koper-molybdeen (CuMo) bieden een verbeterde duurzaamheid tegen degradatie en verbrossing door straling. Ze helpen bij het behoud van de elektrische prestaties en de structurele integriteit van printplaten in omgevingen met hoge stralingsniveaus.
Koperfolie
Koperfolie is van vitaal belang voor de functionaliteit van printplaten voor gebruik in de ruimte. Geleidende lagen worden gebruikt om de overdracht van elektrische signalen te vergemakkelijken. Hoogwaardige koperfolie wordt gebruikt in printplaten voor gebruik in de ruimte om een optimale signaalintegriteit te garanderen en signaalverlies te beperken.
Hoogwaardige koperfolie onderscheidt zich door een aantal essentiële eigenschappen. De hoge thermische geleidbaarheid ervan vergemakkelijkt effectieve warmteafvoer van de printplaat. In ruimtetoepassingen, waarbij componenten veel straling genereren, is dit van het grootste belang. Naast hun lage insertieverlies vermindert deze folie signaalvervorming en -verzwakking. Dit garandeert een consistente signaaloverdracht, zelfs in toepassingen met hoge frequenties.
Printplaten met metalen kern
Printplaten met een metalen kern, bestaande uit een koperen of aluminium kern omgeven door een diëlektrische laag, zijn vanwege hun hoge thermische geleidbaarheid.zeer geschikt voor toepassingen die een efficiënte warmteafvoer vereisen. Dit is cruciaal in de ruimte, waar temperatuurbeheersing moeilijk is.
Rogers RO4000-serie
Een familie van hoogfrequente laminaten, waaronder RO4350B en RO4003C, materialen van Rogers, is speciaal ontwikkeld voor gebruik in microgolf- en RF-omgevingen. Bij hoge frequenties biedt de Rogers RO4000-serie een uitzonderlijke elektrische efficiëntie. Vaak worden deze substraten gebruikt in ruimtemissies die RF- en microgolfcapaciteiten vereisen.
PTFE (Teflon)
Polytetrafluoroethyleen (PTFE) is algemeen bekend onder de handelsnaam Teflon. Vanwege zijn lage verliestangens en diëlektrische constante is dit materiaal geschikt voor hoogfrequente toepassingen. Bovendien maken de uitzonderlijke weerstand tegen chemicaliën en de minimale uitgaseigenschappen het geschikt voor gebruik in vacuümomgevingen zoals de ruimte.
Hoge-Tg FR-4
Hoewel FR-4, een veelvoorkomend op epoxy gebaseerd substraat versterkt met glasvezels, uitgebreide toepassing vindt in commerciële printplaten, zijn FR-4-varianten met een hoge Tg (glasovergangstemperatuur) ontworpen om hoge temperaturen te doorstaan. Vergeleken met conventioneel FR-4 vertonen ze een grotere stabiliteit bij extreme temperaturen, waardoor ze geschikt zijn voor specifieke ruimtetoepassingen.
Oppervlakteafwerking
De met zorg gekozen oppervlakteafwerking van printplaten voor gebruik in de ruimte biedt weerstand tegen oxidatie en garandeert betrouwbare soldeerverbindingen. Veelgebruikte afwerkingen zijn immersiezilver en immersiegoud (Figuur 2).
Een zilvercoating verkregen door immersie biedt een superieure geleidbaarheid en weerstand tegen corrosie. Door een barrière op de koperen sporen te vormen, beschermt hij doeltreffend tegen oxidatie en garandeert het betrouwbare elektrische verbindingen. Immersiezilver is ideaal voor hoogfrequente toepassingen vanwege zijn uitstekende signaalintegriteit en minimale insertieverlies.
Immersiegoud daarentegen levert een oppervlak dat uitzonderlijk betrouwbaar en duurzaam is voor soldeerverbindingen. De oxidatieweerstand van goud garandeert een uitzonderlijke soldeerbaarheid en duurzame stabiliteit. Naast zijn hoge elektrische geleidbaarheid wordt immersiegoud vaak gebruikt in toepassingen die verbindingen met een uitzonderlijke betrouwbaarheid vereisen.
Figuur 2: Een printplaat behandeld met immersiegoud (Bron: Linkedin)
Conclusie
Het ontwerpen van printplaten voor gebruik in de ruimte vereist een grondig inzicht in de extreem zware omstandigheden die in de ruimte heersen. Temperatuurextremen, blootstelling aan straling, vacuümomstandigheden, mechanische spanningen en strenge beperkingen voor afmetingen en gewicht zijn allemaal obstakels die ingenieurs moeten overwinnen. Door het gebruik van geavanceerde materialen, doeltreffende strategieën voor thermisch beheer, stralingsbestendige componenten en nauwgezette ontwerpmethodologieën zijn ingenieurs in staat elektronische systemen te produceren die de veeleisende omstandigheden van ruimte-exploratie kunnen doorstaan.
11.01.2024
