Nykyaikaisen avaruus- ja sotilaselektroniikan suunnittelijoita pyydetään luomaan yhä parempaa suorituskykyä yhä pienemmässä mekaanisessa koossa. Tämä onnistuu parhaiten pinoamalla elektroniikkaa kolmiulotteisesti. Fyysisten rakennevaatimusten lisäksi datansiirtonopeudet kasvavat jatkuvasti ja signaalien eheyden marginaalit kutistuvat.
|
Artikkelin kirjoittaja Jerry Metcalf toimii liiketoiminnan kehityspäällikkönä Cinch-yhtiössä. |
Ilmailu-, avaruus- ja puolustusjärjestelmien lisäksi myös muilla teollisuudenaloilla järjestelmien on siedettävä yhä vaativampia ympäristöjä. Järjestelmien kokemat iskut, värähtelyt ja lämpötilan nopeat vaihtelut aiheuttavat toiminnallisia rasituksia, jotka ovat kuitenkin luontaisia erityisesti ohjusjärjestelmille, tutkalaitteille, avioniikka-alustoille ja avaruuslaitteille.
Entistä tiukempien suorituskykyvaatimusten ja rankkojen ympäristöolojen yhdistelmä muodostaa kovan haasteen järjestelmien arkkitehtuureille. Näiden alustojen suunnittelussa tarvittavia sähköisiä, mekaanisia ja kotelointiin liittyviä valintoja ei voida enää käsitellä erikseen.
Pinotut piirilevyarkkitehtuurit
Painetut piirilevyt ovat pitkään olleet elektronisten järjestelmien rakennuspalikoita ilmailu-, avaruus- ja puolustussovelluksissa. Ne tarjoavat yksinkertaisen ja helposti toistettavan valmistustavan sekä mahdollisuuden asentaa komponentteja erittäin tiheästi, minkä ansiosta käytettävissä oleva tila voidaan hyödyntää tehokkaasti. Järjestelmien kutistuessa ja integroituessa suunnittelijat ovat yhä riippuvaisempia pinotuista piirilevyarkkitehtuureista tiukkojen koko-, paino- ja suorituskykytavoitteiden saavuttamiseksi.
Kuva 1. Standardin mukaisen 1U-kokoisen CubeSat-satelliitin sisäiset rakenneosat.
Pystysuuntainen pinoaminen mahdollistaa alijärjestelmien kerrostamisen ahtaissa tiloissa, jotka ovat tyypillisiä ohjusten rungoille ja pienikokoisille satelliiteille. Pinoaminen mahdollistaa myös lyhyemmät signaalireitit toiminnallisten lohkojen välille. Nopeissa digitaalisissa ja radiotaajuisissa lohkoissa johtimien lyhentäminen vähentää suoraan kytkentähäviöitä sekä parantaa ajoitusmarginaalien ja siirtoimpedanssien hallintaa.
Z-akselin suunta eli pinottavien piirilevyjen tai koteloiden pystysuora yhteys on siksi noussut strategisesti hyvin tärkeäksi. Hyvin suunniteltu Z-suuntainen liitäntä mahdollistaa suoran pystysuoran pinoamisen tinkimättä sähköisestä suorituskyvystä tai mekaanisesta kestävyydestä. Tämän tasapainon saavuttaminen ei kuitenkaan ole aivan yksinkertaista dynaamisissa ympäristöissä.
Perinteisten piirilevyliittimien haasteet
Piirilevyjen tiheyden kasvaessa perinteisten piirilevyliitäntöjen rajoitukset alkavat ilmetä ankarissa ympäristöissä. Elektronisten komponenttien pienentymisen edetessä liittimistä tulee usein piirilevyn suurimpia elementtejä, jotka kilpailevat aktiivipiirien kanssa rajoitetusta tilasta. Suuri nastamäärä lisää reitityksen monimutkaisuutta, ja iskujen, tärinän sekä lämpölaajenemisen aiheuttamat mekaaniset kuormitukset rasittavat juotosliitoksia ja liittimien nastoja.
Perinteisten piirilevyliittimien haasteet.
Tiiviisti pakatuissa ilmailu- ja avaruusjärjestelmissä fyysinen pääsy tarkastus- ja korjauskohteisiin on rajoitettua. Syvällä pinotussa kokoonpanossa olevaa vikaantunutta juotosliitosta voi olla vaikea havaita, ja sen korjaaminen on kallista. Kun kokoonpanot kutistuvat ja ympäristörasitukset pysyvät ennallaan, virhemarginaalit kaventuvat.
Historiallisesti suunnittelijat ovat luottaneet kahteen pääasialliseen lähestymistapaan piirilevyjen välisten liitäntöjen hallinnassa näissä korkeaa suorituskykyä vaativissa sovelluksissa.
Jäykät mezzanine-liittimet
Jäykät mezzanine-liittimet lukitsevat fyysisesti kaksi piirilevyä kiinteään geometriseen muotoon. Ne tarjoavat suoraviivaisen vertikaalisen integroinnin ja ennustettavan kohdistuksen. Kontrolloiduissa ympäristöissä tämä lähestymistapa voi olla tehokas.
Iskualttiissa tai termisesti dynaamisissa järjestelmissä juotettujen kontaktien aiheuttama jäykkyys muuttuu kuitenkin haitaksi. Kun piirilevyt kokevat eriasteista lämpölaajenemista tai mekaanisia g-voimia, rasitus siirtyy liitinnastoihin ja juotosliitoksiin. Ajan myötä syklinen kuormitus voi johtaa materiaalien väsymiseen, halkeiluun ja ajoittaisiin sähkökatkoihin.
Liittimestä tulee käytännössä kokoonpanon rakenteellinen elementti. Ohjuksen laukaisu tai hävittäjän raju nousu lentotukialukselta aiheuttaa voimakkaan fyysisen rasituksen. Tämän stressin sekä nopeiden lämpötilavaihtelujen tuottaman kuormituksen aikana kiinteät juotosliitokset voivat vaarantaa pitkän aikavälin luotettavuuden.
Hyppylangat ja joustavat liitännät
Jos jäykkää geometriaa ei voida taata, tai dynaamiset ympäristöt on otettava vakavasti huomioon, suunnittelijat turvautuvat usein hyppylankojen eli jumpperien tai joustavien johdinrakenteiden käyttöön. Ne tarjoavat mekaanisen erilleenkytkennän piirilevyjen välille, vähentävät juotosliitosten rasitusta ja mahdollistavat piirilevyjen liikkumisen.
Kuva 2. Yleisimpiä CIN::APSE-liitännän sovelluksia.
Kaikki johtimet kuitenkin lisäävät painoa ja vievät arvokasta tilaa. Nopeiden signaalien reititys monimutkaistuu, koska kaapelit sijoitetaan usein piirilevyjen reunoihin. Mekaaninen vedonpoisto on hallittava huolellisesti, ja suurten g-voimien ympäristöissä vapaasti liikkuva johdin kotelon sisällä tuo mukanaan omat luotettavuusongelmansa.
Signaalin eheyteen voivat vaikuttaa myös pidemmät liitäntäreitit, jotka lisäävät kytkentähäviöitä. Litteiden piirien käyttö voi entisestään vaikeuttaa impedanssin hallintaa suurimmilla taajuuksilla. Suunnittelijoiden on siksi valittava rasitusta siirtävän jäykkyyden ja monimutkaisuutta lisäävän joustavuuden välillä.
Juotosvapaat puristusliittimet
Juottamattomat puristusliitännät tarjoavat erittäin luotettavan vaihtoehdon tälle perinteiselle kompromissille. Sen sijaan, että liitin kiinnitettäisiin pysyvästi kumpaankaan piirilevyyn, puristusliitosjärjestelmä muodostaa sähköisen kontaktin kontrolloidun mekaanisen puristuksen avulla.
Puristusliitosjärjestelmässä kontaktielementit sijaitsevat vastakkaisilla pinnoilla kytkentäpisteiden välissä. Sähköinen jatkuvuus saavutetaan, kun pinoon kohdistetaan ennalta määrätty puristusvoima. Juotosliitoksia ei tarvita, eikä piirilevyjen välillä ole jäykkiä nastoja. Yhteen liittäminen aktivoituu vain silloin, kun rakenne kytketään mekaanisesti.
Rasitus vähenee, kestävyys paranee
Puristusliitäntä mahdollistaa suoran pystysuuntaisen pinoamisen, joka toimii samaan tapaan kuin mezzanine-liitin. Pinottavat levyt voidaan kohdistaa yhdensuuntaisina ja liittää lyhyen, kontrolloidun Z-suuntaisen reitin kautta. Tämä saavutetaan kuitenkin ilman juotosliitoksia tai vapaasti liikkuvia johtimia.
Kosketuselementit on suunniteltu huomioimaan toleranssit, vaimentamaan tärinää ja reagoimaan elastisesti lämpölaajenemiseen. Liitos ei ole jäykästi kiinnitetty eikä kellu vapaasti kotelon sisällä, vaan toimii hallitusti mekaanisessa kuoressa. Dynaamisissa ympäristöissä, joissa kumpaakaan ääripään ratkaisua ei voida hyväksyä, puristusrakenne tarjoaa etuja vakauden, suorituskyvyn ja luotettavuuden suhteen.
Koska liitäntä perustuu kontrolloituun puristukseen pysyvästi juotettujen liittimien sijaan, kokoonpano voidaan purkaa, tarkastaa ja koota uudelleen ilman lämpökäsittelyä. Tämä tukee kenttähuollettavuutta ja yksinkertaistaa järjestelmän ylläpitoa tuotteen koko elinkaaren aikana.
Varma puristusliitäntä CIN::APSE
Cinch-yhtiön kehittämä CIN::APSE edustaa puristusliitoksiin perustuvan tekniikan kypsää kehitysastetta, joka on suunniteltu erityisesti erittäin suurta luotettavuutta vaativiin ilmailu-, avaruus- ja puolustussovelluksiin. Liitosjärjestelmä on erityisesti suunniteltu ylläpitämään vakaata sähköistä suorituskykyä iskujen, tärinän ja lämpövaihteluiden aikana samalla, kun se tukee puolustusjärjestelmien vaatimia tiheitä ja nopeita elektronisia arkkitehtuureja.
Järjestelmä on saavuttanut Nasan luokittelussa korkeimman TRL-tason (Technology Readiness Level 9). Tämä tarkoittaa onnistunutta käyttöönottoa operatiivisissa ympäristöissä ja osoittaa tekniikan kypsyyden kriittisiin sovelluksiin.
CIN::APSE:n tekniset ominaisuudet ja edut
CIN::APSE on pohjimmiltaan Z-akselin suuntainen yhteenliitäntäjärjestelmä, joka koostuu tarkkuuseristeistä ja kokoon puristuvista monijohtimisista kosketuselementeistä, jotka on järjestetty konfiguroitaviksi matriiseiksi. Jokaisella komponentilla on erityinen rooli kohdistuksen, mukautuvuuden ja sähköisen suorituskyvyn tasapainottamisessa.
Eriste muodostaa CIN::APSE-kokoonpanon rakenteellisen rungon. Sen sisällä jokainen kontakti on tiimalasin muotoisessa ontelossa, jonka tarkoituksena on:
- Rajoittaa kontaktin kosketuspiste sen keskikohtaan tarkkaa kohdistusta varten
- Tarjota levenevät päät, jotka mahdollistavat hallitun itsekohdistuksen puristuksen aikana
- Säilyttää dielektrinen eristys vierekkäisten koskettimien välillä
- Määrittää suurin sallittu puristusvoima tasaisen Z-suuntaisen kuormituksen saavuttamiseksi
Kukin CIN::APSE-kontakti koostuu kokoon puristuvasta kimpusta molybdeenilankaa, jonka ulkopinta on kullattu. Tämä tarjoaa:
- Erittäin hyvän johtavuuden ja kulutuskestävyyden
- Laajan käyttölämpötila-alueen
- Useita rinnakkaisia johtamisreittejä redundanssin takaamiseksi
- Useita mikrokontaktipisteitä alhaisen ja vakaan resistanssin takaamiseksi
- Ei-kierteisen geometrian, joka minimoi induktiiviset vaikutukset korkeilla taajuuksilla
Kuva 3. Liittimen poikkileikkaus, jossa näkyy kokoon puristuva molybdeenilankakimppu.
Kun johdinkimppu puristetaan kosketuspintojen väliin, se muodostaa useita mikrokontaktipisteitä, mikä varmistaa alhaisen kosketusvastuksen ja vakaan sähköisen suorituskyvyn järjestelmän koko käyttöiän ajan. Tämä mahdollistaa sekä nopeiden digitaalisten signaalien että radiotaajuisten sovellusten tukemisen saman arkkitehtuurikehyksen sisällä.
Kuva 4. CIN::APSE-kontaktin perusrakenne muodostuu kontaktista, joka on asennettu räätälöityyn muovieristeeseen Cinchin patentoimalla kontaktinsäilytystekniikalla. Paikalleen asennettuna kontakti ulottuu eristeen molemmille puolille ja muodostaa puhtaan sähköisen kytkennän.
Kuva 5. Asennuksen aikana CIN::APSE-liitäntäkappale sijoitetaan kahden komponentin – piirilevyjen, joustavien virtapiirien, keraamisten osien jne. – väliin liitäntäkohtien kokojen vastatessa toisiaan. Sen jälkeen komponentit puristetaan ja kiinnitetään yhteen.
Yksi CIN::APSE:n joustavaa käyttöä kuvaava keskeinen piirre on mahdollisuus järjestellä liitäntäpisteet erilaisiin geometrisiin muotoihin. Näitä ovat muun muassa:
- Neliömäiset ryhmät – optimoituna sekä digitaaliselle, teho- että sekasignaalireititykselle
- Kuusikulmaiset ryhmät – tarjoavat tasaisen välistyksen ja paremman eristyksen RF- ja mikroaaltorakenteissa
Kuva 6. Joustava piirilevy, joka on varustettu neliömäisillä ja kuusikulmaisilla liitosmatriiseilla.
Järjestelmä voidaan myös määrittää asiakaskohtaisesti eri korkeuksille ja jakoväleille, jotta se tukee useita erityyppisiä liitäntätapoja: board-to-board, flex-to-board, LGA (Land Grid Array).
Puristettavan Z-liitännän tulevaisuus
Vahvaa luotettavuutta vaativan ilmailu-, avaruus- ja puolustuselektroniikan kehittyessä liittimien suunnittelun tulee vastata yhä tiukempiin tarpeisiin. Entistä suuremmat datansiirtonopeudet vaativat lyhyempiä ja puhtaampia signaalireittejä. Kompakti kotelointi edellyttää tehokasta vertikaalista integrointia. Samalla kokoonpanojen on kestettävä iskuja, tärinää ja lämpölaajenemista ilman, että liitosten haavoittuvimpiin rajapintoihin syntyy väsymisvaurioita.
Jäykät piirilevyliittimet keskittävät rasituksen juotettuihin päihin. Joustavat hyppylangat antavat mekaanista vapautta mutta tiheyden, hallinnan ja reitityksen monimutkaisuuden kustannuksella. Puristukseen perustuvat Z-suuntaiset liitokset sen sijaan lähestyvät ongelmaa eri tavalla. Luomalla sähköisen jatkuvuuden kontrolloidulla mekaanisella puristuksella metallurgisen liitoksen sijaan, ne antavat mahdollisuuden tarkan kohdistuksen ja joustavuuden määrittelyyn rakenteen sisällä.
Ympäristöissä, joissa koteloinnin rajoitukset ovat tiukat ja luotettavuuden marginaalit kapeat, Z-suuntaisesta liitännästä tulee järjestelmäarkkitehtuurin määrittelevä elementti. Sen mekaaninen toiminta ja sähköiset ominaisuudet määrittävät pitkälti piirilevypinon ja sen tukeman alustan suorituskyvyn pitkällä aikavälillä.
CIN::APSE tarjoaa seuraavan sukupolven pinoamisstrategioita arvioiville suunnittelijoille todistetusti toimivan puristuspohjaisen lähestymistavan, joka on linjassa erittäin suurta luotettavuutta vaativien ilmailu- ja avaruussovellusten todellisuuden kanssa.
