航天器中的振动如何影响 PCBA

2021-10-11

航天器中的振动如何影响 PCBA

振动对PCBA 的影响会导致疲劳并最终导致太空任务中的某些部件失效。这些电子设备应在恶劣的空间环境中精确运行并确保高可靠性。航天器中的振动会导致显着的能量损失和不受欢迎的噪音。

火箭发动机点火后，发射台、航天器和运载火箭内会以声学（声波的反射）和振动的形式产生强烈的噪音。印刷电路板是由于这些类型的高振动而容易发生故障的组件。

在太空飞行的发射过程中，除了辐射和真空条件施加的物理压力外，电路板还会承受极端的冲击和压力。在真空条件下，电路板产生的热量难以散发，导致PTH和焊点开裂。当沉积在表面的带电粒子进入电路板时，就会发生静电放电 (ESD)。因此，最好避开航天器中收集电荷的物体（电荷存储粒子，如FR4、Kapton）。

航天器有哪些不同类型的振动？

一般来说，振动是刚体或弹性体从平衡位置或平衡状态运动的周期性运动。如果振动的频率和幅度恒定，则振动是谐波的。然而，频率和幅度随时间变化的振动被称为随机振动。以下是航天器振动的来源：

火箭噪音

空气动力激发

湍流环境

直接振动激发

火箭噪音

火箭发动机排气是由从地球发射的火箭提供动力的航天器中最严重振动的来源。在火箭尾气的可听和亚可听范围内有很广的声音频谱。因此，车辆结构、蒙皮和设备在能量储存的大部分频率处都会产生共振。

发射时的噪音会损坏航天器、精密电子设备和有效载荷包（飞机或运载火箭携带的物体或实体）。

空气动力激发

在高速飞行过程中，空气动力学中会出现各种可能激发飞行器振动的情况。这些包括：

振荡冲击和分离流

基础压力波动

自激振动（颤动）

流量超出预测

流经腔体

为了消除这种振动，有必要修改空气动力学设计和飞行剖面。

湍流环境

地球的大气层由四层组成：对流层、平流层、中间层和热层。对于航天器的发射和再入阶段，结构振动的潜在来源在于对流层上层风及其湍流结构。振动是作用在车辆上的几种空气动力升力的结果。随着飞行路径的变化，大气风的方向和大小会产生这些力。

直接振动激发

即使在火箭发动机因自身运行而发生升空振动之后。这是由于火箭发动机的燃烧不稳定性。要解决这些问题，必须对发动机设计进行审查。

在低频发生的振荡被称为突突。而在高频下出现的振荡被称为尖叫。影响这些振荡的因素将取决于诸如推力之类的可变力。

航天器振动源可能因火箭类型、任务和有效载荷而异。因此，必须进行飞行前测试以确保机载系统（例如电子设备和组装板）可靠运行。

振动对航天器PCBA的影响

电路板是具有不同特性的机械系统，这些特性定义了其对应力和应变的响应。如果达到强度参数（弯曲和剥离）的最大公差，板可能会导致故障和开裂。此外，组件附件对振动的响应会对电路板功能产生负面影响。通孔元件和SMD（表面贴装器件）由焊接连接组成，其行为类似于阻尼电阻器（降低振荡水平）。由于焊点的来源、强度和质量，这些连接可能会断开。结果，由于航天器的不符合要求，将形成不规则的操作。

由于PCBA上振动的后果，会出现以下故障：

损坏的电容器

关节断裂

电路板轨道破损

PCB分层

破桶

冲击

引脚中的通孔裂纹

引线疲劳

如何保护电路板不振动

在PCB设计的初始阶段必须承认电路板的振动保护。以下是一些必要的措施：

正确的组件安装是必要的。广泛的详细分析对于确保制造商遵守所有规范至关重要。

组装组件时注意粘合剂至关重要。密封剂充当减震器并减少电路板上的振动。

完美的焊接对于建立可靠的连接很重要。

手工焊接

围绕边缘收缩电路板可防止振动。

外壳提供有关特定板上振动级别的信息。

防振框架有助于减少振动。它增加了成本，但被证明对于高级应用非常重要。

机械波也可能导致 PCB振动，因为它们会传播到脆弱的部件并损坏它们。解决这个问题的办法是在体积大的部件附近安装互连。

可靠性是空间硬件的重要因素。如果出现故障，则无法修复电子硬件，因此必须极其可靠才能将故障风险限制在几乎为零。此外，长期卫星任务需要数年保持一致的性能，而不会出现任何技术故障。板上的单个故障会导致航天器功能丧失。

PCB振动测试

防止振动的 PCB设计注意事项有哪些？

高度可靠的电路板需要严格的空间 PCB设计指南、稳健的设计流程和高效的技术。该过程满足电路的电气、机械和热条件。

有几个设计指南可以减少振动对 PCBA 的影响：

降额是在低于其正常工作范围的情况下运行设备或组件的过程。它最大限度地减少了与恶劣工作条件相关的故障率。对于航天器，轨道的当前承载能力应降低66%。实际上，由于电流流过迹线，迹线宽度随温度升高而变化。热传递通过传导和辐射发生。由于真空，空间中不可能有对流。因此，导体的载流能力需要更低，以避免因过热而损坏。

飞行模型 (FM) PCB 需要通孔和埋孔，但不接受盲孔。

FM 板不应使用微调电位器、可变电容器或可变电感器。组件必须具有特定值。

宽导体通过将焊料从焊盘拉到导体上而充当焊锡窃贼。此外，如果导体进入连接内部电源平面的过孔，它将充当散热器，并在焊接过程中从焊盘或元件引线上吸走热量。结果，形成了冷焊点错误。设置此类连接时，最好使用：
导体宽度：1mm
导体长度：1mm
Pad-to-track ratio：1.5:1

为了避免电路板扭曲和缠绕，包括层数、铜分布和元件放置在内的电路板结构应该是对称的。

只接受 PTH。但是，禁止使用支架、孔眼、铆钉等。

安装在航天器中的电路板被称为机载 PCB。不建议在此类板上使用阻焊层。阻焊层会出现一些问题，例如附着力差、除气性能较低以及选择性锡铅剥离的风险高。

应使用覆铜板结构，因为它具有更好的剥离强度。

为防止发射过程中发生 ESD 和 Paschen 放电，电子元件的外层应具有保形涂层。这种类型的放电发生在两个相对的平行板电极之间，两者都使用具有特定距离的特定材料，在特定的气体种类中，在确定的最小电压下。

导电图案和介电材料必须具有大于 0.1 毫米的宽导体尺寸，以避免裂片和可剥离。

为了防止单个互连的开路故障，关键网络需要在同一层上布线。如果不可能，则应使用最小通孔以及第二个冗余轨道和通孔。

检查所有组件以消除不合格产品、缺陷零件或可能发生故障的组件至关重要。

航天器中的热传递

飞行器与周围环境（包括太阳、地球、大气层和空间）之间的热平衡会影响地球轨道上航天器的表面温度。太阳能可以直接从太阳接收，也可以从地球及其大气（反射）间接接收。平均温度 在太空中大约为 3 K。保持太空飞行器的热平衡至关重要。传导和辐射是仅有的两种用于消除航天器中多余热量的传热方式。由于国际空间站（ISS）面向太阳，其表面温度可达121°C。在远离太阳的方向，温度可达-157°C。

传导是在接触的物质之间或通过接触的物质传递热量。航天器周围的热量由于传导而移动。有一些形式的辐射是可见的（可见光）或可以感觉到的（红外辐射）。而其他的，如 X 射线和伽马射线，是不可见的，需要特殊的设备来观察。

有一些热控制技术：

散热器
加热后，几种材料会比其他材料发出更好的红外辐射。这些用作散热器。否则会过热的组件连接到由这些材料制成的板上并暴露在空间中。热量通过传导从组件传递到散热器，最后通过红外辐射传递到空间。

保温毯
保温毯也称为太空毯，是围绕航天器的外部保护罩。它由多层薄板组成，提供绝缘以减少由于热辐射引起的热损失。它充当抵御微流星体撞击的屏障。

表面涂层
表面涂层会影响辐射与物体的相互作用。这些涂层决定了外部热源吸收、辐射和反射的热量。

加热器
加热器保护组件免受寒冷环境的影响，并补偿未散发的热量。加热器的作用是通过将特定组件与恒温器或固态控制器相结合，为特定组件提供精确的温度控制。即使在打开组件之前，加热器也能保持组件的最低工作温度。

考虑到上述事实，控制振动对PCBA的影响至关重要。适当的测试和验证可确保航天器的可靠性。