從航天器中的振動(dòng)啟發(fā)，看 PCBA如何做振動(dòng)防護(hù)

振動(dòng)對(duì)印刷電路板導(dǎo)致疲勞并最終使太空任務(wù)中的某些部件失效。這些電子設(shè)備應(yīng)在惡劣的空間環(huán)境中精確運(yùn)行并確保高可靠性。航天器中的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致顯著的能量損失和不受歡迎的噪音。

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后，****臺(tái)、航天器和運(yùn)載火箭內(nèi)會(huì)以聲學(xué)（聲波反射）和振動(dòng)的形式產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪音。印刷電路板是由于此類高振動(dòng)而容易發(fā)生故障的組件。

在太空飛行的****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(dǎo)致PTH和焊點(diǎn)開(kāi)裂。當(dāng)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)收集電荷的物體（電荷儲(chǔ)存粒子，如FR4, Kapton) 在航天器中。

目錄

1航天器有哪些不同類型的振動(dòng)？

1.1火箭噪音

1.2空氣動(dòng)力激發(fā)

1.3湍流環(huán)境

1.4直接振動(dòng)激發(fā)

2振動(dòng)對(duì)航天器PCBA的影響

2.1如何保護(hù)電路板不振動(dòng)

3防止振動(dòng)的 PCB 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)有哪些？

3.1航天器中的熱傳遞

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(yùn)動(dòng)的周期性運(yùn)動(dòng)。振動(dòng)是諧波如果它們的頻率和幅度是恒定的。然而，頻率和幅度隨時(shí)間變化的振動(dòng)被稱為隨機(jī)的. 以下是航天器振動(dòng)的來(lái)源：

1. 火箭噪音

2. 空氣動(dòng)力激發(fā)

3. 湍流環(huán)境

4. 直接振動(dòng)激發(fā)

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)排氣是由從地球****的火箭提供動(dòng)力的航天器中最嚴(yán)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(nèi)有很廣的聲音頻譜。因此，車(chē)輛結(jié)構(gòu)、蒙皮和設(shè)備在能量?jī)?chǔ)存的大部分頻率處都會(huì)產(chǎn)生共振。

****時(shí)的噪音會(huì)損壞航天器、精密電子設(shè)備和有效載荷包（飛機(jī)或運(yùn)載火箭攜帶的物體或?qū)嶓w）。

在高速飛行過(guò)程中，空氣動(dòng)力學(xué)中會(huì)出現(xiàn)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(chǔ)壓力波動(dòng)

• 自激振動(dòng)（顫動(dòng)）

• 流量超出預(yù)測(cè)

• 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(shè)計(jì)和飛行剖面。

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

即使在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)由于自身運(yùn)行而發(fā)生升空振動(dòng)之后。這是由于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒不穩(wěn)定性。要解決這些問(wèn)題，必須對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)進(jìn)行審查。

在低頻發(fā)生的振蕩被稱為突突。而在高頻下出現(xiàn)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(dòng)源可能因火箭類型、任務(wù)和有效載荷而異。因此，必須進(jìn)行飛行前測(cè)試以確保機(jī)載系統(tǒng)（例如電子設(shè)備和組裝板）可靠運(yùn)行。

電路板是具有不同特性的機(jī)械系統(tǒng)，這些特性定義了其對(duì)應(yīng)力和應(yīng)變的響應(yīng)。如果達(dá)到強(qiáng)度參數(shù)（彎曲和剝離）的最大公差，板可能會(huì)導(dǎo)致故障和開(kāi)裂。此外，組件附件對(duì)振動(dòng)的響應(yīng)會(huì)對(duì)電路板功能產(chǎn)生負(fù)面影響。通孔組件和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(diǎn)的來(lái)源、強(qiáng)度和質(zhì)量，這些連接可能會(huì)斷開(kāi)。因此，由于航天器的不合格，將形成不規(guī)則的操作。

由于PCBA振動(dòng)的后果，會(huì)出現(xiàn)以下故障：

• 損壞的電容器

• 關(guān)節(jié)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

電路板的振動(dòng)保護(hù)必須在初始階段確認(rèn)印刷電路板設(shè)計(jì). 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(xì)分析對(duì)于確保制造商遵守所有規(guī)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(dāng)減震器并減少板上的振動(dòng)。

• 完美焊接對(duì)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(jí)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(duì)于高級(jí)應(yīng)用非常重要。

• 機(jī)械波也可能導(dǎo)致 PCB 振動(dòng)，因?yàn)樗鼈儠?huì)傳播到脆弱的部件并損壞它們。該問(wèn)題的解決方案是在大件部件附近安裝互連件。

可靠性是空間硬件的重要因素。如果電子硬件出現(xiàn)故障，則無(wú)法修復(fù)，因此必須極其可靠才能將故障風(fēng)險(xiǎn)限制在幾乎為零。此外，長(zhǎng)期衛(wèi)星任務(wù)需要數(shù)年保持一致的性能，而不會(huì)出現(xiàn)任何技術(shù)故障。板上的單個(gè)故障會(huì)導(dǎo)致航天器的功能喪失。要詳細(xì)了解常見(jiàn)故障類別的更多信息，請(qǐng)參閱PCB電子元器件故障的6種類型.

PCB振動(dòng)測(cè)試

高度可靠的電路板需要嚴(yán)格的空間 PCB 設(shè)計(jì)指南、穩(wěn)健的設(shè)計(jì)流程和高效的技術(shù)。該過(guò)程滿足電路的電氣、機(jī)械和熱條件。

有幾個(gè)設(shè)計(jì)指南可以減少振動(dòng)對(duì) PCBA 的影響：

• 降額是在低于其正常工作范圍的情況下運(yùn)行設(shè)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(duì)于航天器，軌道的當(dāng)前承載能力應(yīng)降低66%. 實(shí)際上，由于電流流過(guò)跡線，跡線寬度隨溫度升高而變化。熱傳遞通過(guò)傳導(dǎo)和輻射發(fā)生。由于真空，在太空中不可能對(duì)流。因此，導(dǎo)體的載流能力需要降低以避免因過(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(yīng)使用微調(diào)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(dǎo)體充當(dāng)焊錫竊賊墊子到導(dǎo)體。此外，如果導(dǎo)體進(jìn)入連接內(nèi)部電源平面的過(guò)孔，它將充當(dāng)散熱器，并在焊接過(guò)程中從焊盤(pán)或元件引線上吸走熱量。因此，冷焊點(diǎn)錯(cuò)誤形式。設(shè)置此類連接時(shí)，最好使用：
  導(dǎo)體寬度：1mm
  導(dǎo)體長(zhǎng)度：1mm
  墊軌比：1.5:1

• 為了避免電路板的扭曲和纏繞，包括層數(shù)、銅分布和元件放置的電路板結(jié)構(gòu)應(yīng)該是對(duì)稱的。

• PTH 僅可接受。但是，禁止使用支架、孔眼、鉚釘?shù)取?/span>

• 安裝在航天器中的電路板稱為機(jī)載 PCB。不建議使用阻焊層在這樣的板上。阻焊層會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，例如附著力差、性能降低放氣，以及選擇性錫鉛剝離的高風(fēng)險(xiǎn)。

• 應(yīng)使用覆銅板結(jié)構(gòu)，因?yàn)樗哂懈玫膭冸x強(qiáng)度。

• 為防止****過(guò)程中發(fā)生 ESD 和 Paschen 放電，電子元件的外層應(yīng)具有敷形涂層. 這種類型的放電發(fā)生在兩個(gè)相對(duì)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。

敷形涂層

• 導(dǎo)電圖案和介電材料必須具有大于 0.1 毫米的寬導(dǎo)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。如果不可能，則應(yīng)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、缺陷零件或可能出現(xiàn)故障的組件至關(guān)重要。此外，驗(yàn)證零件假冒電子元件在高可靠性應(yīng)用中避免任何嚴(yán)重后果至關(guān)重要。

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)影響航天器在地球軌道上的表面溫度。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。保持熱平衡在太空飛行器中。傳導(dǎo)和輻射是僅有的兩種熱傳遞方式，可以消除航天器中多余的熱量。作為國(guó)際空間站（ISS）面向太陽(yáng)，其表面溫度可達(dá)121°C. 在遠(yuǎn)離太陽(yáng)的方向，溫度可以達(dá)到-157°C.

傳導(dǎo)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?dǎo)而移動(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 射線和伽馬射線，是不可見(jiàn)的，需要特殊的設(shè)備來(lái)觀察。

有一些熱控制技術(shù)：

散熱器
加熱后，幾種材料發(fā)出的紅外輻射比其他材料好。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(dǎo)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，也稱為太空毯，是圍繞航天器的外部保護(hù)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(dāng)?shù)钟⒘餍求w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(hù)組件免受寒冷環(huán)境的影響，并補(bǔ)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(jié)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(duì) PCBA 的影響至關(guān)重要。適當(dāng)?shù)臏y(cè)試和驗(yàn)證可確保航天器的可靠性。

如果您對(duì)航天器的振動(dòng)還有任何疑問(wèn)，請(qǐng)?jiān)谠u(píng)論部分告訴我們。要了解在太空和國(guó)防電子設(shè)備中實(shí)施的 3 類板，請(qǐng)下載IPC Class3設(shè)計(jì)指南。