航天器中的振動(dòng)如何影響 PCBA

2021-10-11

航天器中的振動(dòng)如何影響 PCBA

振動(dòng)對PCBA 的影響會(huì )導致疲勞并最終導致太空任務(wù)中的某些部件失效。這些電子設備應在惡劣的空間環(huán)境中精確運行并確保高可靠性。航天器中的振動(dòng)會(huì )導致顯著(zhù)的能量損失和不受歡迎的噪音。

火箭發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火后，發(fā)射臺、航天器和運載火箭內會(huì )以聲學(xué)（聲波的反射）和振動(dòng)的形式產(chǎn)生強烈的噪音。印刷電路板是由于這些類(lèi)型的高振動(dòng)而容易發(fā)生故障的組件。

在太空飛行的發(fā)射過(guò)程中，除了輻射和真空條件施加的物理壓力外，電路板還會(huì )承受極端的沖擊和壓力。在真空條件下，電路板產(chǎn)生的熱量難以散發(fā)，導致PTH和焊點(diǎn)開(kāi)裂。當沉積在表面的帶電粒子進(jìn)入電路板時(shí)，就會(huì )發(fā)生靜電放電 (ESD)。因此，最好避開(kāi)航天器中收集電荷的物體（電荷存儲粒子，如FR4、Kapton）。

航天器有哪些不同類(lèi)型的振動(dòng)？

一般來(lái)說(shuō)，振動(dòng)是剛體或彈性體從平衡位置或平衡狀態(tài)運動(dòng)的周期性運動(dòng)。如果振動(dòng)的頻率和幅度恒定，則振動(dòng)是諧波的。然而，頻率和幅度隨時(shí)間變化的振動(dòng)被稱(chēng)為隨機振動(dòng)。以下是航天器振動(dòng)的來(lái)源：

火箭噪音

空氣動(dòng)力激發(fā)

湍流環(huán)境

直接振動(dòng)激發(fā)

火箭噪音

火箭發(fā)動(dòng)機排氣是由從地球發(fā)射的火箭提供動(dòng)力的航天器中最嚴重振動(dòng)的來(lái)源。在火箭尾氣的可聽(tīng)和亞可聽(tīng)范圍內有很廣的聲音頻譜。因此，車(chē)輛結構、蒙皮和設備在能量?jì)Υ娴拇蟛糠诸l率處都會(huì )產(chǎn)生共振。

發(fā)射時(shí)的噪音會(huì )損壞航天器、精密電子設備和有效載荷包（飛機或運載火箭攜帶的物體或實(shí)體）。

空氣動(dòng)力激發(fā)

在高速飛行過(guò)程中，空氣動(dòng)力學(xué)中會(huì )出現各種可能激發(fā)飛行器振動(dòng)的情況。這些包括：

振蕩沖擊和分離流

基礎壓力波動(dòng)

自激振動(dòng)（顫動(dòng)）

流量超出預測

流經(jīng)腔體

為了消除這種振動(dòng)，有必要修改空氣動(dòng)力學(xué)設計和飛行剖面。

湍流環(huán)境

地球的大氣層由四層組成：對流層、平流層、中間層和熱層。對于航天器的發(fā)射和再入階段，結構振動(dòng)的潛在來(lái)源在于對流層上層風(fēng)及其湍流結構。振動(dòng)是作用在車(chē)輛上的幾種空氣動(dòng)力升力的結果。隨著(zhù)飛行路徑的變化，大氣風(fēng)的方向和大小會(huì )產(chǎn)生這些力。

直接振動(dòng)激發(fā)

即使在火箭發(fā)動(dòng)機因自身運行而發(fā)生升空振動(dòng)之后。這是由于火箭發(fā)動(dòng)機的燃燒不穩定性。要解決這些問(wèn)題，必須對發(fā)動(dòng)機設計進(jìn)行審查。

在低頻發(fā)生的振蕩被稱(chēng)為突突。而在高頻下出現的振蕩被稱(chēng)為尖叫。影響這些振蕩的因素將取決于諸如推力之類(lèi)的可變力。

航天器振動(dòng)源可能因火箭類(lèi)型、任務(wù)和有效載荷而異。因此，必須進(jìn)行飛行前測試以確保機載系統（例如電子設備和組裝板）可靠運行。

振動(dòng)對航天器PCBA的影響

電路板是具有不同特性的機械系統，這些特性定義了其對應力和應變的響應。如果達到強度參數（彎曲和剝離）的最大公差，板可能會(huì )導致故障和開(kāi)裂。此外，組件附件對振動(dòng)的響應會(huì )對電路板功能產(chǎn)生負面影響。通孔元件和SMD（表面貼裝器件）由焊接連接組成，其行為類(lèi)似于阻尼電阻器（降低振蕩水平）。由于焊點(diǎn)的來(lái)源、強度和質(zhì)量，這些連接可能會(huì )斷開(kāi)。結果，由于航天器的不符合要求，將形成不規則的操作。

由于PCBA上振動(dòng)的后果，會(huì )出現以下故障：

損壞的電容器

關(guān)節斷裂

電路板軌道破損

PCB分層

破桶

沖擊

引腳中的通孔裂紋

引線(xiàn)疲勞

如何保護電路板不振動(dòng)

在PCB設計的初始階段必須承認電路板的振動(dòng)保護。以下是一些必要的措施：

正確的組件安裝是必要的。廣泛的詳細分析對于確保制造商遵守所有規范至關(guān)重要。

組裝組件時(shí)注意粘合劑至關(guān)重要。密封劑充當減震器并減少電路板上的振動(dòng)。

完美的焊接對于建立可靠的連接很重要。

手工焊接

圍繞邊緣收縮電路板可防止振動(dòng)。

外殼提供有關(guān)特定板上振動(dòng)級別的信息。

防振框架有助于減少振動(dòng)。它增加了成本，但被證明對于高級應用非常重要。

機械波也可能導致 PCB振動(dòng)，因為它們會(huì )傳播到脆弱的部件并損壞它們。解決這個(gè)問(wèn)題的辦法是在體積大的部件附近安裝互連。

可靠性是空間硬件的重要因素。如果出現故障，則無(wú)法修復電子硬件，因此必須極其可靠才能將故障風(fēng)險限制在幾乎為零。此外，長(cháng)期衛星任務(wù)需要數年保持一致的性能，而不會(huì )出現任何技術(shù)故障。板上的單個(gè)故障會(huì )導致航天器功能喪失。

PCB振動(dòng)測試

防止振動(dòng)的 PCB設計注意事項有哪些？

高度可靠的電路板需要嚴格的空間 PCB設計指南、穩健的設計流程和高效的技術(shù)。該過(guò)程滿(mǎn)足電路的電氣、機械和熱條件。

有幾個(gè)設計指南可以減少振動(dòng)對 PCBA 的影響：

降額是在低于其正常工作范圍的情況下運行設備或組件的過(guò)程。它最大限度地減少了與惡劣工作條件相關(guān)的故障率。對于航天器，軌道的當前承載能力應降低66%。實(shí)際上，由于電流流過(guò)跡線(xiàn)，跡線(xiàn)寬度隨溫度升高而變化。熱傳遞通過(guò)傳導和輻射發(fā)生。由于真空，空間中不可能有對流。因此，導體的載流能力需要更低，以避免因過(guò)熱而損壞。

飛行模型 (FM) PCB 需要通孔和埋孔，但不接受盲孔。

FM 板不應使用微調電位器、可變電容器或可變電感器。組件必須具有特定值。

寬導體通過(guò)將焊料從焊盤(pán)拉到導體上而充當焊錫竊賊。此外，如果導體進(jìn)入連接內部電源平面的過(guò)孔，它將充當散熱器，并在焊接過(guò)程中從焊盤(pán)或元件引線(xiàn)上吸走熱量。結果，形成了冷焊點(diǎn)錯誤。設置此類(lèi)連接時(shí)，最好使用：
導體寬度：1mm
導體長(cháng)度：1mm
Pad-to-track ratio：1.5:1

為了避免電路板扭曲和纏繞，包括層數、銅分布和元件放置在內的電路板結構應該是對稱(chēng)的。

只接受 PTH。但是，禁止使用支架、孔眼、鉚釘等。

安裝在航天器中的電路板被稱(chēng)為機載 PCB。不建議在此類(lèi)板上使用阻焊層。阻焊層會(huì )出現一些問(wèn)題，例如附著(zhù)力差、除氣性能較低以及選擇性錫鉛剝離的風(fēng)險高。

應使用覆銅板結構，因為它具有更好的剝離強度。

為防止發(fā)射過(guò)程中發(fā)生 ESD 和 Paschen 放電，電子元件的外層應具有保形涂層。這種類(lèi)型的放電發(fā)生在兩個(gè)相對的平行板電極之間，兩者都使用具有特定距離的特定材料，在特定的氣體種類(lèi)中，在確定的最小電壓下。

導電圖案和介電材料必須具有大于 0.1 毫米的寬導體尺寸，以避免裂片和可剝離。

為了防止單個(gè)互連的開(kāi)路故障，關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò )需要在同一層上布線(xiàn)。如果不可能，則應使用最小通孔以及第二個(gè)冗余軌道和通孔。

檢查所有組件以消除不合格產(chǎn)品、缺陷零件或可能發(fā)生故障的組件至關(guān)重要。

航天器中的熱傳遞

飛行器與周?chē)h(huán)境（包括太陽(yáng)、地球、大氣層和空間）之間的熱平衡會(huì )影響地球軌道上航天器的表面溫度。太陽(yáng)能可以直接從太陽(yáng)接收，也可以從地球及其大氣（反射）間接接收。平均溫度 在太空中大約為 3 K。保持太空飛行器的熱平衡至關(guān)重要。傳導和輻射是僅有的兩種用于消除航天器中多余熱量的傳熱方式。由于國際空間站（ISS）面向太陽(yáng)，其表面溫度可達121°C。在遠離太陽(yáng)的方向，溫度可達-157°C。

傳導是在接觸的物質(zhì)之間或通過(guò)接觸的物質(zhì)傳遞熱量。航天器周?chē)臒崃坑捎趥鲗Ф苿?dòng)。有一些形式的輻射是可見(jiàn)的（可見(jiàn)光）或可以感覺(jué)到的（紅外輻射）。而其他的，如 X 射線(xiàn)和伽馬射線(xiàn)，是不可見(jiàn)的，需要特殊的設備來(lái)觀(guān)察。

有一些熱控制技術(shù)：

散熱器
加熱后，幾種材料會(huì )比其他材料發(fā)出更好的紅外輻射。這些用作散熱器。否則會(huì )過(guò)熱的組件連接到由這些材料制成的板上并暴露在空間中。熱量通過(guò)傳導從組件傳遞到散熱器，最后通過(guò)紅外輻射傳遞到空間。

保溫毯
保溫毯也稱(chēng)為太空毯，是圍繞航天器的外部保護罩。它由多層薄板組成，提供絕緣以減少由于熱輻射引起的熱損失。它充當抵御微流星體撞擊的屏障。

表面涂層
表面涂層會(huì )影響輻射與物體的相互作用。這些涂層決定了外部熱源吸收、輻射和反射的熱量。

加熱器
加熱器保護組件免受寒冷環(huán)境的影響，并補償未散發(fā)的熱量。加熱器的作用是通過(guò)將特定組件與恒溫器或固態(tài)控制器相結合，為特定組件提供精確的溫度控制。即使在打開(kāi)組件之前，加熱器也能保持組件的最低工作溫度。

考慮到上述事實(shí)，控制振動(dòng)對PCBA的影響至關(guān)重要。適當的測試和驗證可確保航天器的可靠性。