航天器中的振動如何影響 PCBA

2021-10-11

航天器中的振動如何影響 PCBA

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

火箭發動機點火后，發射臺、航天器和運載火箭內會以聲學（聲波的反射）和振動的形式產生強烈的噪音。印刷電路板是由于這些類型的高振動而容易發生故障的組件。

在太空飛行的發射過程中，除了輻射和真空條件施加的物理壓力外，電路板還會承受極端的沖擊和壓力。在真空條件下，電路板產生的熱量難以散發，導致PTH和焊點開裂。當沉積在表面的帶電粒子進入電路板時，就會發生靜電放電 (ESD)。因此，最好避開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型的振動？

一般來說，振動是剛體或彈性體從平衡位置或平衡狀態運動的周期性運動。如果振動的頻率和幅度恒定，則振動是諧波的。然而，頻率和幅度隨時間變化的振動被稱為隨機振動。以下是航天器振動的來源：

火箭噪音

空氣動力激發

湍流環境

直接振動激發

火箭噪音

火箭發動機排氣是由從地球發射的火箭提供動力的航天器中最嚴重振動的來源。在火箭尾氣的可聽和亞可聽范圍內有很廣的聲音頻譜。因此，車輛結構、蒙皮和設備在能量儲存的大部分頻率處都會產生共振。

發射時的噪音會損壞航天器、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體）。

空氣動力激發

在高速飛行過程中，空氣動力學中會出現各種可能激發飛行器振動的情況。這些包括：

振蕩沖擊和分離流

基礎壓力波動

自激振動（顫動）

流量超出預測

流經腔體

為了消除這種振動，有必要修改空氣動力學設計和飛行剖面。

湍流環境

地球的大氣層由四層組成：對流層、平流層、中間層和熱層。對于航天器的發射和再入階段，結構振動的潛在來源在于對流層上層風及其湍流結構。振動是作用在車輛上的幾種空氣動力升力的結果。隨著飛行路徑的變化，大氣風的方向和大小會產生這些力。

直接振動激發

即使在火箭發動機因自身運行而發生升空振動之后。這是由于火箭發動機的燃燒不穩定性。要解決這些問題，必須對發動機設計進行審查。

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

航天器振動源可能因火箭類型、任務和有效載荷而異。因此，必須進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，板可能會導致故障和開裂。此外，組件附件對振動的響應會對電路板功能產生負面影響。通孔元件和SMD（表面貼裝器件）由焊接連接組成，其行為類似于阻尼電阻器（降低振蕩水平）。由于焊點的來源、強度和質量，這些連接可能會斷開。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上振動的后果，會出現以下故障：

損壞的電容器

關節斷裂

電路板軌道破損

PCB分層

破桶

沖擊

引腳中的通孔裂紋

引線疲勞

如何保護電路板不振動

在PCB設計的初始階段必須承認電路板的振動保護。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重要。

組裝組件時注意粘合劑至關重要。密封劑充當減震器并減少電路板上的振動。

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。

外殼提供有關特定板上振動級別的信息。

防振框架有助于減少振動。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，因為它們會傳播到脆弱的部件并損壞它們。解決這個問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，則無法修復電子硬件，因此必須極其可靠才能將故障風險限制在幾乎為零。此外，長期衛星任務需要數年保持一致的性能，而不會出現任何技術故障。板上的單個故障會導致航天器功能喪失。

PCB振動測試

防止振動的 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。該過程滿足電路的電氣、機械和熱條件。

有幾個設計指南可以減少振動對 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程。它最大限度地減少了與惡劣工作條件相關的故障率。對于航天器，軌道的當前承載能力應降低66%。實際上，由于電流流過跡線，跡線寬度隨溫度升高而變化。熱傳遞通過傳導和輻射發生。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。

寬導體通過將焊料從焊盤拉到導體上而充當焊錫竊賊。此外，如果導體進入連接內部電源平面的過孔，它將充當散熱器，并在焊接過程中從焊盤或元件引線上吸走熱量。結果，形成了冷焊點錯誤。設置此類連接時，最好使用：
導體寬度：1mm
導體長度：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為機載 PCB。不建議在此類板上使用阻焊層。阻焊層會出現一些問題，例如附著力差、除氣性能較低以及選擇性錫鉛剝離的風險高。

應使用覆銅板結構，因為它具有更好的剝離強度。

為防止發射過程中發生 ESD 和 Paschen 放電，電子元件的外層應具有保形涂層。這種類型的放電發生在兩個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。

為了防止單個互連的開路故障，關鍵網絡需要在同一層上布線。如果不可能，則應使用最小通孔以及第二個冗余軌道和通孔。

檢查所有組件以消除不合格產品、缺陷零件或可能發生故障的組件至關重要。

航天器中的熱傳遞

飛行器與周圍環境（包括太陽、地球、大氣層和空間）之間的熱平衡會影響地球軌道上航天器的表面溫度。太陽能可以直接從太陽接收，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，其表面溫度可達121°C。在遠離太陽的方向，溫度可達-157°C。

傳導是在接觸的物質之間或通過接觸的物質傳遞熱量。航天器周圍的熱量由于傳導而移動。有一些形式的輻射是可見的（可見光）或可以感覺到的（紅外輻射）。而其他的，如 X 射線和伽馬射線，是不可見的，需要特殊的設備來觀察。

有一些熱控制技術：

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

保溫毯
保溫毯也稱為太空毯，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境的影響，并補償未散發的熱量。加熱器的作用是通過將特定組件與恒溫器或固態控制器相結合，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，控制振動對PCBA的影響至關重要。適當的測試和驗證可確保航天器的可靠性。