Печатные платы для аэрокосмических систем терморегуляции

По мере развития летательных аппаратов, увеличения дальности и скорости полета и расширения их применения (например, в космосе) управление температурным режимом становится все более важной задачей. Системы терморегуляции (TCS) отвечают за поддержание желаемой температуры внутри аппарата вне зависимости  от влияния внешних условий окружающей среды.

Структурные и электрические методы управления тепловой средой

Эффективное управление системами терморегулирования в аэрокосмической отрасли включает в себя следующие факторы.

Ориентация космических аппаратов в пространстве

• Ориентация космических аппаратов играет жизненно важную роль в обеспечении термической стабильности. Часто для удовлетворения эксплуатационных требований необходимо изменить направление движения аппарата. Направление определяется количеством рассеиваемого тепла. Даже если количество рассеиваемого тепла не определено, изменение ориентации позволяет контролировать температуру.
• Этот метод также можно комбинировать с другими элементами (например, радиатором).
   

Хорошей практикой является выбор материалов компонентов и печатных плат в соответствии с возможностями теплопередачи и тепловыми по терями в диэлектрике. Материалы плат должны соответствовать условиям CTE (коэффициент теплового расширения), подходящим для приложений с высокой надежностью. Лучше выбрать материал печатной платы с низкими потерями, чтобы уменьшить потери мощности. Пол Кук считает, что полиимид — хрупкий материал, склонный к образованию микротрещин, особенно в случаях плоских печатных плат с большим количеством тяжелой меди. В идеале материалы плат для космического применения должны иметь низкий CTE с низким коэффициентом затухания и быть подходящими для использования с высокоскоростными контактами, что позволяет снизить вероятность образования микротрещин. Этим требованиям удовлетворяет, например, ПТФЭ.

• Для увеличения оттока тепла от платы к корпусу установка ее в корпусе изделия может осуществляться с помощью специальных клиновых замков.
• Другой способ отвести тепло от элементов электронного модуля — увеличить количество медных слоев внутри каждой платы.

• Метод монтажа определяет тепловой контакт между компонентами и при необходимости облегчает теплообмен с элементом конструкции.
• Теплообмен можно увеличить за счет:
  – использования поверхностей из материалов с хорошей теплопроводностью;
  – крепления компонентов с помощью большего количества крепежных элементов (если позволяет конструкция платы);
• Уменьшить теплопередачу можно, установив компонент через стек прокладок с меньшей теплопроводностью.

Важные аспекты печатных плат в системах регулирования температуры

Надежность печатных плат чрезвычайно важна для эффективного функционирования аэрокосмических аппаратов. Ниже перечислены некоторые ключевые  элементы сборок печатных плат, предназначенных для эксплуатации в системах терморегуляции.

Конформные покрытия

Конформное покрытие на печатной плате защищает ее от коррозии, суровых условий окружающей среды и агрессивных химикатов. Для таких покрытий используются различные материалы, например, акриловые полимеры, уретан, силиконовые и эпоксидные смолы, парилен и т. д. Выбор материала зависит от нескольких факторов: диапазона рабочих температур, образования конденсата, ремонтопригодности и снижения вероятности образования дефектов пайки, например, так называемых усов олова. Индивидуальное сочетание свойств каждого материала позволяет подобрать подходящий вариант для любого  применения. Так, париленовое покрытие обеспечивает отличное проникновение в трещины, является идеальным барьером и изолятором, обладает высокой  термической и УФ-стабильностью. Это оптимальный выбор для аэрокосмической отрасли.

При сборке печатных плат для систем терморегулирования в аэрокосмической технике следует выбирать компоненты с жесткими допусками (1–2%), способные выдерживать большие токи. Использование элементов с более высоким коэффициентом безопасности позволит гарантировать надежность печатных плат в экстремальных условиях и повысит долговечность и эффективность всей конструкции. Например, проводящая трасса, по которой протекает ток силой 1 А, может быть рассчитана на силу тока 2 А (соответствие коэффициенту безопасности 2), что предотвратит ее перегрев.

Соответствие  нормативным требованиям

Аэрокосмическая отрасль очень требовательна, поэтому важно, чтобы все материалы, компоненты и технологические процессы соответствовали перечисленным ниже стандартам:

AS 9100: Системы менеджмента качества в авиакосмической промышленности.

IPC 2220: Проектирование и изготовление печатной платы.

IPC-A-600: Критерии приемки печатных плат.

IPC-J-STD-001 и его версия H: Требования к электрическим и электронным сборкам, изготавливаемым с помощью пайки.

Типы систем терморегулирования

Существует два типа терморегулирования в аэрокосмической отрасли: пассивный и активный.

Пассивные системы контроля температуры

Такие системы контролируют постоянную температуру компонентов без использования устройств с питанием. Пассивные системы предпочтительны в тех случаях, когда установлены жесткие требования к низкой мощности, массе и объему изделия.

Многослойная изоляция

Многослойная изоляция MLI состоит из нескольких внутренних слоев тонкого материала с низким коэффициентом излучения и внешнего слоя (обычно это какой-то прочный материал). MLI действует как барьер для теплового излучения, который защищает космический орабль от поступающего солнечного и инфракрасного потока, а также предотвращает нежелательное рассеивание тепла и контролирует температурный диапазон всей электроники (включая  печатные платы) и батарей на орбите. Но существуют и некоторые проблемы, связанные с MLI. Например, любое сжатие или повреждение слоев MLI может  привести к коротким замыканиям, поэтому лучше избегать использования MLI на внешней поверхности небольших спутников, которые выводятся на орбиту  с помощью устройств для развертывания.

Материалы для теплового обмена

Такие материалы увеличивают кондуктивную теплопередачу между двумя компонентами. Они выпускаются в различных формах: в виде смазки, пасты или листов. Например, для снижения температуры между монтажной поверхностью и теплорассеивающей электроникой можно использовать тонкие листы такого материала. Эффективность этих материалов зависит от контактного давления, необходимого для теплопередачи. Так, для чипов с высоким рассеянием тепла  необходимо применение контактных площадок большей толщины. Выбор конкретного материала зависит от требуемых свойств: теплопроводность, толщина, электрическая изоляция, температурный диапазон и т. д.

По мнению Пола Кука, наилучшим материалом является COOLSPAN, поскольку он тепло- и электропроводен.

Термопрокладки — это гибкие элементы, передающее тепло от его источника к радиатору, используются между чипами или компонентами с высоким тепловыделением и стенкой корпуса или поверхностью радиатора. Благодаря гибкости такие элементы не создают нагрузки на конструкцию.

Термопрокладки изготавливаются с использованием меди, алюминия или графита (из-за высокой проводимости) и состоят из кабелей или многочисленных листов фольги с концевыми блоками, удерживающими их на месте. Для больших космических аппаратов применяются комбинированные (из нескольких материалов) прокладки более чем с двумя концевыми блоками.

Солнцезащитные щиты представляют собой устройства, которые уменьшают солнечный поток, попадающий на космический корабль, закрывая обзор Солнца. Они могут работать несколько месяцев при температуре ниже 100 К на низкой околоземной орбите.

Этот способ пассивной передачи тепла представляет собой систему с замкнутым контуром, которая передает избыточное тепло от электрических узлов к более холодной поверхности (радиатору или теплоотводу).

Радиаторы

Радиаторы — элементы, передающие чрезмерное тепло через теплообмен излучением. Такие устройства обеспечивают терморегуляцию благодаря низкому поглощению солнечной энергии и высокой излучательной способности ИК-излучения. В аэрокосмической отрасли для улучшения тепловых характеристик часто применяются раздвижные радиаторы.

Активные системы термоконтроля

Такие системы требуют подвода напряжения и являются более эффективными для жесткого контроля температур.

Криоохладители

Криоохладители предназначены для криогенного охлаждения — метода, при котором охлаждение материала происходит при помощи чрезвычайно низких температур. Криоохладители представляют собой устройства, охлаждающие до температуры ниже 100 К. В космосе такие охладители используются в высокоточных ИК-датчиках, интерферометрах и спектрометрах, эффективно работающих при низких температурах. Преимущества криоохладителей:

• минимальные вибрации;
• высокая термодинамическая эффективность;
• длительный срок службы;
• температура охлаждения менее 50 К.

Нагреватели

Каптоновые нагреватели используются для поддержания температуры батарей небольших космических аппаратов, в электронике которых, как правило, предусмотрены печатные платы с подложкой из полиамида. Для терморегуляции в небольших спутниках обычно применяются маломощные нагреватели, способные контролировать температурный режим во время затмения Солнца и обеспечивать термическую стабильность биологических объектов.

Термоэлектрические охладители (TEC)

Такие системы используют эффект Пельтье — термоэлектрическое явление переноса энергии при прохождении электрического тока в месте контакта двух разнородных проводников, от одного проводника к другому. В результате происходит рассеивание избыточной температуры с помощью теплообменника. ТЕС работает за счет тока, который протекает через керамические подложки, вследствие чего возникает разница температур. Таким образом получается, что одна сторона ТЕС холодная, а другая горячая.

Активный тепловой контроль включает и другие методы — например, использование жидкостных контуров, активное управление температурным режимом и т. д. Три важных совета, касающихся проектирования и производства печатных плат для систем терморегулирования в аэрокосмической технике:

1. Классифицируйте компоненты по термическим характеристикам и при проектировании печатной платы группируйте вместе компоненты со схожими тепловыми свойствами. Всегда выбирайте комплектацию и материалы, предназначенные для использования в условиях космического пространства, это позволит обеспечить системе максимальную надежность.

2. Датчики положения размещайте вблизи целевой зоны. При конструировании датчиков крайне важно учитывать, в каком именно месте космического  аппарата они будут использоваться.

3. При сборке печатных плат помните о производственных и эксплуатационных температурных ограничениях. Так, при выборе материалов следует учитывать устойчивость к нагрузкам в соответствии с температурными ограничениями.

В заключение Пол Кук говорит о том, что надежность печатных плат закладывается уже на этапе проектирования и сильно зависит от производственных  характеристик, таких как минимальная толщина покрытия, качество поверхности и т. д. Перед изготовлением плат разработчику необходимо убедиться, что  выбранный им производитель способен выпускать продукцию требуемого уровня, а именно класса 3.