New space

Ведение космических проектов имеет свои особенности, которые зачастую выходят далеко за границы проектирования плат и схем. В обзорной статье автор кратко знакомит читателя с аспектами, характерными для разработки электроники в космической отрасли.

Оловянные усы и защитное покрытие

Начнем с необычного. Автор не сомневается, что всем разработчикам сверхнадежных систем хорошо знакомо явление под названием оловянные усы (tin whiskers) тонкие длинные кристаллы-нити, которые могут вырастать из поверхностей выводов микросхем или припоя.

Растут они довольно быстро, настолько, что спустя месяцы эти усы могут просто замкнуть соседние выводы. Один из вариантов нейтрализации этого процесса нанесение определенного защитного покрытия, выбор которого не нетривиален.

В то же самое время стоит отдавать себе отчет в том, что неверный выбор покрытия может не только обесценить попытки предотвращения роста усов, но и серьезно снизить общую надёжность устройства.
Автору как-то довелось анализировать причины неадекватно низких показателей прохождения стресс-тестов одним из устройств-компонентов спутника. Самое удивительное в результатах исследования заключалось в том, что именно покрытие, призванное предотвратить рост усов, приводило к раннему отказу из-за механических повреждений при термоциклировании: этого дизайнеры устройста представить себе никак не могли, хотя, разумеется, явление не ново и хорошо описано в литературе.

Механические нагрузки

А вот другой пример: во время запуска носителя электроника подвергается серьезному механическому стрессу из-за вибраций и шоков, и одна из задач инженера предусмотреть области на плате для подклейки тяжелых компонентов.

Иногда же вовсе вопрос решается полной заливкой компаундом (potting). Помимо повышения устойчивости к механическим нагрузкам, этот прием позволяет помочь отъему тепла от греющихся компонентов и равномерно распределить энергию по объему компаунда.

Температура в космосе

С температурой не всё так однозначно, потому что многие факторы играют роль: локация узла в пределах спутника, орбита, инсоляция, ориентация спутника. Если мы говорим об аппарате на LEO (Low Earth Orbit), сам блок стоит внутри аппарата, а система термоконтроля и термобаланса адекватна задаче, то температура большую часть времени будет в среднем держаться в районе 15C. При уходе спутника в тень Земли на 30 минут она может падать до 5C-10C, а потом, при возвращении на освещенную сторону, снова подниматься до 15C-20C.

Если мы говорим об устройстве, расположенном на внешней стороне аппарата, например, об антенне SAR (Synthetic-aperture radar), то при повороте в сторону глубокого космоса температура может упасть до -70C в пределах десятков минут или часов. Это представляет опасность, поскольку речь заходит о предельных значениях не только для automotive grade компонентов (которые часто идут в ход в молодых New Space стартапах), но и вполне себе Military grade, которые сертифицируются до -55C.
BGA корпуса особенно не любят таких перепадов температуры чем больше размером корпус, тем больше шансов, что крайние контактные площадки просто оторвёт, или треснут шарики припоя.

Если говорить более предметно о платах и CADах, то стоит упомянуть, что вся космическая электроника в плане механики это платы, плотно упакованные в металлический корпус. Иначе нельзя конвекции в космосе нет, если что-то греется, то это тепло необходимо сбрасывать через термоинтерфейс. При этом корпус должен быть компактен, зачастую иметь специфическую форму, включать в себя множество деталей, разной электроники словом, тут крайне важна интеграция электронного и машинного проектирования; тут стоят очень серьезные задачи в плане соотнесения 3D компонентов.

Радиация

С радиацией всё ещё сложнее: это, например, и фактор поглощенной дозы, и эффекты однократного действия, то есть явления, связанные с высоко энергичными заряженными частицами и их влиянием на электронику. Скажем, пролет заряженной частицы может вызвать сбой в ячейке памяти, когда единственный бит меняется с 0 на 1 и аппарат выдает ложные показания (bit flip). В большинстве случаев ситуация не критична и последствия устраняются перезагрузкой системы. Куда серьезнее, например, защелкивание выходного каскада, когда сквозной ток может выжечь микросхему и привести к катастрофическому отказу оборудования. Тут перезагрузка уже не поможет, а прилететь и починить плату в космосе понятно некому.

Фактор поглощенной дозы по-разному влияет на электронику, изготовленную по технологиям КМОП и БиКМОП. Влияет даже скорость набора порой быстро накопленная доза менее опасна своими последствиями, чем та же самая доза, накопленная в течение продолжительного времени, а иногда наоборот. Вообще, на этот счет хочу порекомендовать статьи на Хабре за авторством доки аналогового дизайна радхардных чипов Валерия amartology Шункова.

Эффекты радиации все еще изучаются, поскольку математическое моделирование связанных физических процессов есть задача совершенно нетривиальная, не говоря о сложностях валидации результатов моделирования.

В New Space скорость появления MVP (Minimum Viable Product) критична, и проведение испытаний на радиационную стойкость в специальной лаборатории in vitro может быстро дать оценку того, что ждет устройство в условиях космоса. Опять же, тут нужно определить, что называть радиацией: 510 krad часто современные микросхемы уровня мейнстримовых микроконтроллеров спокойно переживают такую накопленную дозу без значительных последствий, а это уровень набора за несколько месяцев, а иногда пары лет в случае LEO.

Пару слов о New Space. Это новый взгляд на индустрию, который получил толчок к развитию лет десять-пятнадцать назад, и одна из его идей заключается в том, что один дорогой спутник, напичканный радиационно-стойкими компонентами, можно заменять несколькими дешевыми спутниками со сроком службы 3-5 лет. В условиях LEO это действительно работает.

Old Space же это хорошо известные нам керамические корпуса, радиационная стойкость, поистине космические ценники на каждый элемент конструкции, бесконечное тестирование и работа со статистикой, и так далее в результате один единственный чип может стоить десятки, а иногда и сотни тысяч долларов. Зачастую трудно сказать, для какой задачи какой подход более оптимален, но можно порадоваться, что обе эти сферы развиваются параллельно, и в итоге займут свой спектр ниш.

Выбор компонентов

Это фантастически обширная область для обсуждения, а полноценное описание возможных failure modes, последствий и важных моментов при выборе компонентов потянет на серьезный труд во много сотен страниц.
Однако же, с чего-то нужно начинать, и, поскольку статья носит ознакомительный характер, то будет справедливо выбрать MLCC в качестве предмета обсуждения, поскольку их можно встретить в любом мыслимом устройстве, а также этот класс компонентов является лидером причин катастрофических отказов в электронных узлах.

Самое опасное явление в MLCC трещины в диэлектрике. Стоит еще раз оговориться: серьезное обсуждение причин появления трещин и их последствий потянет на отдельную часовую лекцию, поэтому, как самый банальный пример, рассмотрим простейший из механизмов: замыкание проводящих слоёв в толще структуры MLCC из-за трещины, появление которой обусловлено чрезмерным изгибом платы.

Проблема известная, и разве что ленивый производитель не описал его в литературе. Особенно остро последствия стоят для автомобильной отрасли, где механические и температурные нагрузки запредельны, жизненный цикл устройства занимает много лет, а отказы оборудования могут приводить к человеческим жертвам.

Простейшие, дешевые и очевидные трюки для снижения вероятности и/или катастрофичности последствий можно подсмотреть как раз в automotive сериях MLCC.
Например, проводится редукция проводящих слоев, что даёт отступ от края терминала области, где вероятность появления трещин максимальна. Open Mode Design более-менее общеупотребительный термин для описания подобной техники, идея которой самоочевидна: трещина, возникшая в непосредственной близости к терминалам, не приводит к короткому замыканию.
Из отрицательных последствий применения техники можно упомянуть снижение доступной емкости ввиду уменьшения площади обкладок.

Выбор материалов

С погружением в тему неизбежно приходит понимание того, на сколько важен каждый элемент конструкции, каждая, казалось бы, мелочь. Например, припой, подобранный неадекватно задаче, аукнется падением надежности паянных узлов.

А, например, недальновидность при выборе материалов для сборки структуры PCB неизбежно приводят к понижению надежности самых уязвимых структур VIA.

Даже выбор поставщика может быть критически важным: например, ненадлежащие хранение материалов для PCB или же самих готовых устройств может приводить к пренеприятнейшим эффектам, например, к появлению проводящих структур внутри сэндвича печатной платы, известных под названием CAF (conductive anodic filament).

Некоторое время назад автору довелось столкнуться с подобным явлением в стороннем проекте: спустя полгода после установки, один за другим начали выходить из строя устройства: три из примерно тридцати устройств задорно и весело полыхнули в интервале буквально пары недель. Расследование заняло довольно продолжительное время и указало именно на CAF, как на причину катастрофического отказа.

А вот так этот прогар выглядел с обратной стороны.

Основная причина для такого развития ситуации по такому пути: недостаточное внимание к выбору материалов/фаба на этапе разработки. О, опыт, сын ошибок трудных...

Моделирование

Разумеется, помимо превентивных мер по повышению надежности огромное внимание отдается моделированию. Считают всё: и температуру, и механически нагрузки, и радиационные эффекты.

О моделировании SI/PI даже упоминать не приходится: применение этих практик безусловно для сколь-нибудь серьезных проектов.

Project management, коллектив и инструментарий

Поскольку разработкой электронной начинки спутника занимаются крупные команды, требования, предъявляемые к рабочей среде и менеджменту также высоки.
Важно все: начиная от применяемых инструментов разработки и заканчивая грамнотно укомплектованной командой.

Возьмем, к примеру, такой, казалось бы, малозначительный аспект, как ведение библиотек электронных компонентов: если инструменты ведения базы компонентов не продуманы, а бюджета на полноценного библиотекаря не предусмотрено (кстати, ситуация, часто встречаемая не только в стартапах), то, ввиду влияния человеческого фактора, качество библиотек неизбежно снизится.
Я был свидетелем того, как молодые инженеры вместо создания с нуля сложного футпринта для оптимально подходящего компонента предпочитали натаскать по чуть-чуть из старых проектов, лишь бы не связываться с рутиной и неудобными инструментами. Правильный выбор CAD, соответствующего стоящим перед командой задачам и удобного в работе, напротив, помогает избегать серьезных ошибок и формализует грамотный инженерный подход к ведению проекта.

Заключение

Статья носит ознакомительный характер и, в общем-то, является пробой пера: возможно, статья станет первой ласточкой в большом цикле, а, возможно, история закончится ничем. В любом случае, автор будет признателен комментариям и пожеланиям.

Мой канал в Телеграм об интересном из мира электроники Something Interesting in Electronics.