Aerospace PCB Assembly​

Die besonderen Anforderungen an Leiterplatten für die Luft- und Raumfahrt ergeben sich aus den extremen Betriebsbedingungen und den Null-Toleranz-Standards. Anders als in der Unterhaltungselektronik kann der Ausfall eines elektronischen Systems in einem Raumfahrzeug zu Schäden in Höhe von Hunderten von Millionen Dollar oder sogar zu Todesfällen führen, so dass Leiterplatten für die Luft- und Raumfahrtindustrie unbedingt die anspruchsvollen technischen Normen erfüllen müssen.

PCBs müssen vier große, extreme Umweltprobleme bewältigen

1. extreme Temperaturen

In the space environment, PCBs need to withstand temperature fluctuations between -170 ° C and +125 ° C. This temperature difference is equivalent to the liquid nitrogen cryogenic to high-temperature oven instantaneous switch.

2. Vakuumumgebung

Die nahezu vakuumähnliche Umgebung im Weltraum beeinträchtigt die Effizienz der Wärmeübertragung, kann aber auch zur Freisetzung von Materialgas führen. Diese Gasfreisetzung kann empfindliche optische Instrumente verunreinigen und sogar ein leitfähiges Plasma bilden.

3. kosmische Strahlung

Hochenergetische kosmische Strahlung kann den Ein-Teilchen-Umkipp-Effekt (SEU) auslösen, der zu Fehlern in gespeicherten Daten oder kumulativen Schäden an Halbleitermaterialien führt.

4. extreme mechanische Umgebung

Während der Startphase müssen die Leiterplatten Vibrationsbeschleunigungen von bis zu 20 G standhalten, was der mechanischen Wirkung eines starken Erdbebens entspricht.
It is these stringent requirements that the aerospace PCB, from the choice of materials, process standards, to the test process, are much higher than the norms of consumer electronics, to ensure that during the operation in orbit, to achieves “zero failure” reliability goals.

PCB-Materialauswahl für die Luft- und Raumfahrt

Herkömmliche FR4-Materialien können die anspruchsvollen Anforderungen der Luft- und Raumfahrt nicht erfüllen – ihr Mangel an thermischer Stabilität, mechanischer Festigkeit und Strahlungsbeständigkeit kann zum Ausfall von Schaltungen führen. Daher müssen für Leiterplatten in der Luft- und Raumfahrt streng geprüfte Hochleistungsmaterialien verwendet werden, um eine langfristige Zuverlässigkeit unter extremen Bedingungen zu gewährleisten.

1) Polyimid (PI)-Substrate

High temperature resistance: can work above 250°C for a long period, and can even withstand 400°C for a short period.
Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE):Hohe Kompatibilität mit Kupferschichten, wodurch das Risiko von Verzug und Delamination durch drastische Temperaturschwankungen verringert wird.
Extrem niedrige Ausgasung:Hat den NASA-Test ASTM E595 bestanden, um sicherzustellen, dass im Vakuum keine flüchtigen Substanzen freigesetzt werden, die optische und empfindliche Geräte verunreinigen könnten.

2. keramikgefülltes Polytetrafluorethylen (PTFE)

Hochfrequenz-Signalintegrität:Extrem niedriger dielektrischer Verlust (Df < 0,002) für Millimeterwellen-Radar und Satellitenkommunikationssysteme.
Hervorragende Wärmeleitfähigkeit: Der keramische Füllstoff verbessert die Wärmeableitung, um einen Wärmestau in Vakuumumgebungen zu vermeiden.
Hohe Verarbeitungsschwierigkeiten: Laserbohren und spezielle Laminierungstechniken sind erforderlich, und die Verarbeitungskosten sind wesentlich höher als bei herkömmlichen Leiterplatten.

3.Erweiterte Beschichtung und Metallisierung von Löchern

Thickened Hole Copper (35μm+): Compared to ordinary PCB (20μm), the heat cycle resistance of through-hole is greatly improved.
Pulsierende Beschichtungstechnologie: Sorgt für eine dichte und gleichmäßige Kupferschicht, um Mikrorisse zu vermeiden und die langfristige Zuverlässigkeit zu verbessern.
Rigorous validation standards: Passed 1000 thermal cycling (-55°C↔125°C) tests to simulate years of space temperature alternation environment.
Die Auswahl dieser Materialien und die Optimierung der Prozesse ermöglichen es den Leiterplatten für die Luft- und Raumfahrt, auch unter extremen Bedingungen stabil zu arbeiten und die erfolgreiche Durchführung von Weltraummissionen zu gewährleisten.

PCB-Strukturdesign für die Luft- und Raumfahrt

In der Luft- und Raumfahrtindustrie, wo jedes Gramm Gewichtsverlust die Startkosten um Zehntausende von Dollar senken kann, müssen Leiterplattendesigns extrem leicht sein und gleichzeitig absolute Zuverlässigkeit in extremen Umgebungen gewährleisten. Dies erfordert innovative strukturelle Designmethoden

1. hochpräzise Impedanzkontrolltechnologie

Tough high frequency requirements: impedance tolerance is controlled within ±5% for 40GHz microwave signals to ensure signal integrity of the satellite communication system.
Verlustarme Übertragung: Der Signalverlust von <0,3dB/Zoll wird durch den Laserabstimmungsprozess realisiert, was mehr als 30% besser ist als der traditionelle Ätzprozess.
Optimierung des mehrschichtigen Aufbaus: Eliminieren Sie das Übersprechen von Hochfrequenzsignalen und verbessern Sie die EMV-Leistung des Systems durch präzise Berechnung der Dielektrizitätskonstante und der Dicke der Zwischenschichten.

2. luft- und raumfahrttaugliche Leichtbauweise

Anwendung eines ultradünnen Substrats: Verwendung eines 0,3 mm dünnen Spezialsubstrats, 81 % Gewichtsreduzierung im Vergleich zu einem herkömmlichen 1,6 mm Substrat.
Integration geformter Strukturen: Die 3D-Drucktechnologie wird zur Herstellung nicht standardisierter Leiterplatten verwendet, wodurch die Anzahl der herkömmlichen Anschlüsse und die Systemkomplexität reduziert werden.
Optimierung von BGAs für den Weltraum:Innovatives Pad-Design in Kombination mit speziellen Lötmittelformulierungen verhindert das Versagen der Lötstellen durch Ermüdung in Mikrogravitationsumgebungen.

3. mechanisch verbesserte Konstruktion

Honigwaben-Sandwichstruktur:Basierend auf dem Konzept der Raumschiffkabine wird die bionische Struktur in Schlüsselbereichen eingesetzt, um die Biegefestigkeit zu erhöhen.
Dynamische Belastungsanalyse:Finite-Elemente-Simulation auf der Grundlage des Schwingungsspektrums des Raketenstarts zur Optimierung der Anordnung der PCB-Stützpunkte.
Miniatur-Schwingungsdämpfungsdesign: Integrierte Miniatur-Pufferstruktur um den Schlüsselchip, um die Auswirkungen hochfrequenter Schwingungen über 10 kHz zu reduzieren.
Diese innovativen Designs ermöglichen es modernen Leiterplatten für die Luft- und Raumfahrt, trotz einer Gewichtsreduzierung von mehr als 50 % eine mehr als 10-mal höhere Zuverlässigkeit als handelsübliche Leiterplatten aufrechtzuerhalten, wodurch die beiden strengen Anforderungen von Raumfahrzeugen an Gewicht und Zuverlässigkeit perfekt ausgeglichen werden.

PCB-Herstellungsprozess für die Luft- und Raumfahrt

Die extremen Zuverlässigkeitsanforderungen der Luft- und Raumfahrtelektronik haben zu mehreren technologischen Durchbrüchen bei den PCB-Herstellungsverfahren geführt. Diese innovativen Verfahren gewährleisten, dass Leiterplatten in der rauen Weltraumumgebung jahrzehntelang stabil bleiben:

1. Microvia-Metallisierungstechnologie mit hohem Aspektverhältnis

A breakthrough in traditional limitations: the development of a horizontal copper sinking process for ultra-high aspect ratio microvias (apertures ≤ 0.15mm) of 10:1 or more.
Revolution der Plattierung:
Durch den Einsatz der Puls-Reverse-Plating-Technologie wird die Gleichmäßigkeit der Kupferdicke im Loch um 30 % erhöht.
Eine spezielle Aktivierungsbehandlung sorgt dafür, dass die Haftkraft der Lochwand >1,5N/mm beträgt, wodurch das Problem der Trennung der Lochwand durch thermische Zyklen vollständig gelöst wird.
Aerospace-grade verification: the process has passed 1000 times of -55℃~125℃ thermal cycle test, especially suitable for high-density interconnect boards with more than 16 layers.

2. das Vakuum-Reflow-Löten im Weltraum

Prozessinnovation:
Reflow soldering in 10-³Pa ultra-high vacuum environment
Adopt a gradient temperature rise curve, the temperature rise rate is precisely controlled within 1.5 ℃ / s
Durchbruch bei der Qualität:
Welded joint bubble rate <0.1%, 90% lower than the conventional process. Thermal stress is reduced by 60%, basically eliminating micro-cracks caused by CTE mismatch. Inspection guarantee: With micro-focus X-ray (<1μm resolution) full inspection of key welded joint.s Adopt an AI algorithm to automatically identify welding defects, detection rate>99.99%.

3. luftfahrtspezifische Oberflächenbehandlung

Selektiver Vergoldungsprozess:
The thickness of the nickel layer in the contact area is 3-5μm, and the thickness of the gold layer is 0.05-0.1μm.
Der berührungsfreie Bereich wird mit OSP behandelt, was die Qualität reduziert und die Zuverlässigkeit des Schweißens gewährleistet.
Schutz durch Atomlagenabscheidung (ALD):
20nm Aluminiumoxidschicht auf kritischen Schaltkreisoberflächen
Erhöht die Strahlungsbeständigkeit von PCB um mehr als das 10-fache
Diese bahnbrechenden Verfahren reduzieren die Ausfallrate moderner Leiterplatten für die Luft- und Raumfahrt auf 0,001 PPM (parts per million), was einer Ausfallwahrscheinlichkeit von weniger als 1 % über einen Zeitraum von 20 Jahren im Orbit entspricht. Jedes Verfahren ist nach NASA ECSS-Q-ST-70-38C und anderen Luft- und Raumfahrtnormen zertifiziert, um sicherzustellen, dass es auch die anspruchsvollsten Anforderungen von Raumfahrtmissionen erfüllt.

Die Härtetests für PCBs in der Luft- und Raumfahrt

Before an aerospace-grade PCB can be put into service, it must pass a series of “extreme challenge” reliability tests that simulate the harshest operating conditions in the space environment to ensure that the board is foolproof during its service in orbit.

1. thermischer Vakuum-Umgebungstest (TVAC)

Testbedingungen:
Vacuum: ≤10-⁶ Torr (simulated near-Earth orbit vacuum environment)
Temperature cycling: -170 ℃ to +125 ℃ (lunar surface level extreme temperature difference)
Number of cycles: ≥500 (equivalent to 5 years of orbital operation)
Ziel der Validierung:
Übereinstimmung des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) des Materials
Gas release rate ≤ 0.1% (NASA ASTM E595 standard)
Stabilität der dielektrischen Eigenschaften in einer Vakuumumgebung

2. die Prüfung der Strahlenbeständigkeit

Simulation der Strahlungsumgebung:
Ionisierende Gesamtdosis (TID): 100krad (Si) (entspricht 10 Jahren GEO-Strahlung)
Single particle effect (SEE) test: Heavy ion linear energy transfer (LET) ≥80 MeV-cm²/mg
Schlüsselindikatoren:
Functional failure threshold ＞50krad
Single particle overturning (SEU) incidence <10-⁹ error/bit-day
Komponenten mit strahlungsgehärtetem Design (RHBD) müssen zusätzlich geprüft werden.

3. mechanische Umweltprüfung

Vibrationstest:
Random vibration: 20-2000Hz, Power Spectral Density (PSD) 0.04g²/Hz (equivalent to rocket launch stage load)
Sinusförmiger Scan: 5-100Hz, 20g Spitzenbeschleunigung.
Schock-Test:
Halbsinusförmiger Schock, 1500g Spitzenbeschleunigung, Dauer 0,5 ms (simuliert Schock bei der Trennung zwischen den Stufen)
Kriterien für die Akzeptanz:
Keine sichtbaren Schäden an der Struktur
Elektrische Leistungsschwankung <5%
Resonanzfrequenzverschiebung <10

4. andere spezielle Tests

Test der Mikrogravitationsumgebung:
Schwerelosigkeit durch Parabelflug simulieren
Überprüfung der Ermüdungsfestigkeit von Lötstellen
Erosionstest mit atomarem Sauerstoff:
Für Low Orbit (LEO)-Anwendungen
Exposition gegenüber einer 5-Jahres-Äquivalentdosis von atomarem Sauerstoffstrom
Diese Tests folgen den strengsten Normen der Luft- und Raumfahrt (z. B. NASA-STD-8739.3, ECSS-Q-ST-70-60 usw.), und die Nichterfüllung eines der Tests bedeutet, dass die Leiterplatte nicht flugtauglich ist. Mit einem derart strengen Prüfsystem erreicht die Zuverlässigkeit von Leiterplatten für die Luft- und Raumfahrt ein Niveau von 99,9999 % (6 Neunen), was die erfolgreiche Durchführung von Missionen in der Erdumlaufbahn gewährleistet.

Luftfahrttauglich Leiterplatten-Präzisionsmontage Prozess

Die Montage von Leiterplatten für Avionikgeräte ist ein wichtiger Fertigungsprozess, um die Flugsicherheit zu gewährleisten, und der Prozess ist weitaus strenger als die Produktionsstandards für gewöhnliche elektronische Produkte. Im Folgenden wird ein standardisierter Arbeitsablauf für die Montage von Avionik-Leiterplatten beschrieben:

1. das Screening und die Vorverarbeitung von Komponenten für die Luft- und Raumfahrt

Abschirmung der Komponenten in militärischer Qualität:
Halten Sie sich strikt an die Norm MIL-PRF-38535 Klasse K.
100% aging screening (168 hours @125℃)
The deviation of key parameters is controlled within ±0.1%.
Spezielles Vorbehandlungsverfahren:
Sekundäre Verstärkung der Pin-Plating-Behandlung
Vacuum baking and dehumidification (48 hours @ 125°C)
Röntgeninspektion zur Überprüfung der internen strukturellen Integrität

2. luftfahrtspezifischer PCB-Entwurf und -Verifizierung

Multi-physikalisches Feld Co-Design:
Signal-/Leistungsintegritätsanalyse mit HyperLynx
Optimierung der thermischen Simulation mit FloTHERM
Strukturelle Mechaniksimulation zur Gewährleistung der Schwingungsfestigkeit
Normen für die Entwurfsprüfung:
Erfüllt die DO-160G-Umweltteststandards für die Luft- und Raumfahrt
Erfüllt die Zuverlässigkeitsanforderungen nach IPC-6012ES Klasse 3
Tolerance of impedance of key signal lines is controlled within ±3%.

3. sehr zuverlässiger und präziser Montageprozess

Schweißprozesskontrolle in der Luft- und Raumfahrt:
Adoption of selective laser welding system (accuracy ±25μm)
Echtzeit-Wärmebildtechnik zur Überwachung des Schweißtemperaturprofils
Stickstoffgeschützte Umgebung (Sauerstoffgehalt <50ppm)
Qualitätssicherungssystem:
Automatisierte optische Inspektion (AOI) 100% Erfassungsrate
3D-Röntgenbild zur Erkennung interner Defekte in Lötstellen
Fliegende Sonde Test Netzwerkkonnektivität

4. verbesserte Anpassungsfähigkeit an die Umwelt

Dreifach-Schutzschichtverfahren:
Auswahl an MIL-I-46058-konformen formschlüssigen Beschichtungen
Robot precision coating (thickness control 50±5μm)
UV-Härtung, um die Dichte der Beschichtung zu gewährleisten
Mechanische Verstärkungsmaßnahmen:
Befestigung der Schlüsselkomponenten mit Klebstoff (hochtemperaturbeständiges Epoxidharz)
Einbau einer schwingungsdämpfenden Montagevorrichtung
Bei der Montage wird das Qualitätsmanagementsystem für die Luftfahrt AS9100D strikt umgesetzt, und für jedes Glied werden vollständige Rückverfolgbarkeitsaufzeichnungen erstellt, um sicherzustellen, dass das Produkt auch unter extremen Luftfahrtbedingungen eine hervorragende Zuverlässigkeit aufweist. Der gesamte Prozess, vom Eingang des Rohmaterials bis zum Versand des fertigen Produkts, durchläuft mehr als 200 Qualitätskontrollpunkte, und die Fehlerrate wird auf weniger als 0,1 PPM (Teile pro Million) kontrolliert.

Vorsichtsmaßnahmen für die Präzisionsmontage von Leiterplatten für die Luft- und Raumfahrt

1. die Spezifikationen für die Umweltkontrolle

Umweltstandards für Reinräume
Luftreinheit: Klasse 10000 (Norm ISO 14644-1)
Temperature and humidity control: 22 ± 1 ℃ constant temperature, 40 ± 3% RH constant humidity
ESD-Schutz: Einrichtung eines kompletten elektrostatischen Schutzsystems (gemäß ANSI/ESD S20.20 Klasse 0)
Besondere Umweltkontrolle
Sensitive device storage: nitrogen protection cabinet (O2 content ≤ 50ppm, dew point ≤ -40 ℃)
Welding environment: local micro-positive pressure clean work area (differential pressure ≥ 5Pa)

2. wichtige Prozesskontrolle

Vorbehandlung der Komponenten
Dehumidification: vacuum baking at 125℃ for 48 hours (humidity sensitive level 1-3)
Oberflächenbehandlung: Niedertemperatur-Plasmareinigung (Leistung 300W, Bearbeitungszeit 90s)
Device screening: 100% X-ray inspection of BGA devices (resolution of 0.5μm)
Präzisionsschweißverfahren
Positioning system: laser-assisted high-precision alignment (±5μm)
Solder paste printing: stencil thickness 80±2μm, tension ≥35N/cm²
Temperaturkontrolle: zehn Temperaturzonen für Reflow-Löten, Überwachung der Temperaturkurve in Echtzeit (Abtastrate von 10 Hz)

3. das Qualitätssicherungssystem

Inspektionsstandard
AOI inspection: fully automatic optical inspection (defect recognition rate ≥ 99.95%)
X-ray inspection: 3D-CT scanning (voxel resolution 0.8μm)
Destructive analysis: metallographic section analysis per batch (≥5 samples)
Überprüfung der Verlässlichkeit
Temperature cycle: -65℃~150℃ (1000 cycles, conversion time <1min)
Vibration test: 20-2000Hz random vibration (PSD 0.1g²/Hz)
Environmental test: 85℃/85%RH (2000 hours accelerated aging)

4. besondere Prozessanforderungen

High-Density-Verbindungsprozess
Micro-component assembly: 01005 components, micro-dispensing glue (glue dot diameter 150 ± 10μm)
Fine pitch BGA: 0.3mm pitch special mounting system (accuracy ±3μm)
Thermal management: nanosilver paste thermal conductivity (thermal conductivity ≥ 5W/mK)
Mechanisches Verstärkungsprogramm
Bottom filling: low viscosity epoxy resin (fluidity ≤ 30s)
Steckerbefestigung: mechanische Verriegelung + Laserschweißen im Verbundverfahren
Edge treatment: carbon fiber reinforced wrapping (bending strength ≥500MPa)

5. die Verwaltung der Rückverfolgbarkeit

Verwaltung von Prozessdaten
Full process parameter record (data retention period ≥15 years)
HD-Bildarchivierung von Schlüsselprozessen (Auflösung 4K@60fps)
System zur Rückverfolgbarkeit von Materialien (Chargennummer bis hin zur Einzelstück-Rückverfolgbarkeit)
Management der Personalqualifikation
Bediener: IPC-A-610 Klasse 3 zertifiziert
Verfahrensingenieur:J-STD-001 Spezialisierte Zertifizierung für die Luft- und Raumfahrt
Qualitätspersonal:Zertifizierung der MIL-STD-883-Methode
Hinweis: Diese Spezifikation setzt die Anforderungen des Qualitätsmanagementsystems AS9100 Rev. D streng durch, die von allen kritischen Prozessen erfüllt werden müssen:
MSA analysis results: GR&R ≤ 8%.
Process capability index: CpK≥1.67
PFMEA risk factor: RPN≤80
Erste Artikelqualifikation: 100% Maß- und Funktionsprüfung

Zukünftige Trends

1.disruptive Durchbrüche in der Fertigungstechnologie

Additive Fertigungstechnologie der vierten Generation
Multimaterial-Verbunddruck: Synchronisierte Präzisionsabscheidung von dielektrischen und leitenden Materialien
Topologie-optimierte Strukturen:Bionisch geformte Leiterplatten mit bis zu 65% Gewichtsreduktion
Fertigungsmöglichkeiten in der Umlaufbahn: Direktdruck von Schaltkreismodulen für die Wartung in der Weltraumumgebung
Intelligente Technologien zur Selbstmontage
Selbstorganisierte Schaltkreise auf molekularer Ebene: Quantenpunkte richten sich mit einer Präzision von 0,5nm selbst aus
Rekonfigurierbare Schaltungsarchitektur: Autonome Anpassung der Schaltungstopologie an die Missionsanforderungen

2. von künstlicher Intelligenz gesteuerte Revolution des Designparadigmas

Kognitives elektronisches Entwurfssystem
Multi-Objektiv-Optimierungsmodul: Gleichzeitige Optimierung von 12 Leistungsindikatoren, einschließlich EMC/thermisch/mechanisch usw.
Fehlervorhersage-KI: Vorhersage potenzieller Fehlerpunkte 2000 Stunden im Voraus
Digitale Zwillingsverifizierung: 10^6 Zuverlässigkeitssimulationen in einer virtuellen Umgebung
Autonomes Design-Entwicklungssystem
Genetischer Algorithmus Evolution: 15% Steigerung der Entwurfsleistung pro Generation
Generationsübergreifende Wissensmigration: Aufbau einer intelligenten Bibliothek mit über 100.000 Designfällen

3. die nächste Generation von Kerntechnologie-Innovationen

Bio-inspiriertes Materialsystem
Selbstheilendes intelligentes Substrat: 95 % Leitfähigkeit innerhalb von 24 Stunden nach Beschädigung wiederhergestellt
Neuromorphe Schaltkreise: ahmt die Anpassungsfähigkeit des biologischen Nervensystems nach
Quantum Interconnect Technologie
Terahertz transmission channel: realizing interconnect density of 100Gbps/cm²
Photonen-Elektronen-Fusion: Verlust bei optischen Verbindungen auf 0,1dB/cm reduziert
Intelligentes Energiemanagement
Mikronukleare Zellintegration: direkt eingebettet in Radioisotopen-Energiezellen
Intelligente Anpassung des Stromverbrauchs: Autonome Anpassung der Stromversorgungsstrategie je nach Einsatzphase

4. neues Paradigma der Zuverlässigkeit von Luft- und Raumfahrtelektronik

Extreme Anpassungsfähigkeit an die Umwelt
Schutz auf Weltraumebene: Widerstand gegen 10^6 Rad Strahlendosis
Wide temperature range: -200℃~+300℃ stable operation
Intelligentes Management des gesamten Lebenszyklus
On-orbit health monitoring: Echtzeit-Übertragung von über 500 Statusparametern
Vorausschauende Instandhaltung: über 99,99 % Genauigkeitsrate
Ausblick auf die Industrie:
Mit der Integration von Quantencomputern, Nanotechnologie, künstlicher Intelligenz und anderen bahnbrechenden Technologien durchläuft die Luft- und Raumfahrtelektronik revolutionäre Veränderungen. Es wird erwartet, dass bis 2030:
Circuit board power density will exceed 50W/cm³
Lebensdauer in der Erdumlaufbahn auf 20 Jahre verlängert
Systemausfallrate in der Größenordnung von 10^-9/Stunde
These breakthroughs will directly support manned Mars missions, lunar base construction, and other major space projects, and promote mankind to enter a new era of “interstellar civilization”. Each technological innovation is a manifestation of the infinite pursuit of cosmic exploration and the pinnacle achievement of human engineering wisdom.