航天电路板为啥不能出一点错？

都知道天上掉馅饼是好事。可要是天上掉下来一块电路板呢？

2021年, 某欧洲卫星, 因一块PCB上存在微裂纹, 在轨道上直接陷入失联状态, 造价高达几个亿, 就这么成了一堆太空垃圾, 这可不是段子。

作为猎板的一名从事这一行十几年之久的制程工程师, 今儿要跟你们说一说, 航天电子所运用的PCB究竟具有怎样不一样的地方呢。

来讲一件与常识相悖的事情。你手中拿着的手机主板, 或许会比处于卫星之上的板子更具“速度”。手机的CPU已然达到了3纳米的制程, 身处卫星上所使用的芯片, 可能仍旧处于几十纳米阶段, 尚未脱离此范围。这是为何呢? 并非存在技术层面的滞后, 而是因为对于可靠性的要求全然不一样。

手机死机了，重启一下。卫星死机了，你去哪儿按开机键？

这便是航天PCB的首先一道门槛, 即极端环境适应性。在从地面发射之际会有剧烈震动, 于太空当中存在零下一百多度的暗面, 还有零上一百多度的阳面, 温差达到两三百度。普通电路板之上的焊点, 在这般热胀冷缩的状况下, 几次就会开裂。

所以, 航天级别的板材, 所讲究的是低热膨胀系数, 跟平常的FR4不一样, 使用的是聚酰亚胺或者陶瓷填充的复合材料, 这种材料热胀冷缩的幅度, 需要控制在百万分之几的级别, 猎板出货的高可靠性板子, 在这方面有严格的全检流程, 要确保每一块都不会在这种温差下“抽筋”。

还有人问，为啥航天级PCB的孔非得那么小那么密？

这是用以抗辐射的, 太空中充斥着高能粒子, 当它们穿过电路板之际会对信号产生干扰, 工程师们想出了一个办法, 即多打地孔, 凭借密集的接地通孔构建成一道 “墙”, 将干扰引至地上去, 如同防空洞的支撑柱那般, 数量越多且越密集, 结构就越稳固。

倘若你去查看航天级PCB的设计图纸, 便会发觉它们到处密密麻麻皆是孔。这并非是在炫技, 而是出于无奈之举。猎板于生产这类高密度互连板之际, 其所针对的孔位精度以及铜厚均匀性的要求, 相较于普通工业板可是要高出一个数量级的。

再聊一个冷知识。你知道航天电子用的是什么焊接工艺吗？

不是无铅的, 在环保法规之下, 民用产品早就不再使用含铅焊料了, 然而航天电子却还在使用锡铅焊料, 为什么呢? 是因为含铅焊料的熔点更低, 并且延展性更好, 在反复的热冲击当中, 它不会如同无铅焊料那般发生脆裂。这乃是运用了几十年光阴的老工艺, 可是直至如今都没有办法被替代。

这恰似那种老派的手工制造的皮鞋, 从技术层面来讲是处于“落后”状态的, 然而其具备的可靠性却是属于顶级水准的。猎板的生产线上直至如今依然留存着少量采用有铅焊接工艺的线路, 专门用以服务满足这类特殊的需求。

存在表面处理情况, 普通的印刷电路板, 要不是进行喷锡处理, 就是进行沉金处理, 航天板所采用的是电镀硬金, 这种镀层具备耐磨特性、抗氧化性能, 其接触电阻是极低的, 并且为了确保金丝的键合可靠性, 对于金层纯度的要求是极高的, 厚度同样必须严格予以控制, 猎板在这道工序方面存在独立的检测环节, 要是金层厚度偏差超出正负1微米, 便会直接报废。

或许你们会认为我是存心讲得令人恐惧, 然而实际情形便是如此, 航天印刷电路板不良率的要求是零。

既非万分之一, 亦非百万分之一, 而是零。每一款板子一经焊接完成, 皆需开展X光检测, 还要进行热成像扫描, 同时实施高低温循环测试, 甚至开展机械冲击测试。历经这样一套流程之后, 其成本是普通板子的几十倍乃至上百倍。

但这便是航天所采用的方式, 你不可以去进行赌博, 由于你所赌博的每一元钱, 其背后皆是国家意志以及纳税人实实在在的资金投入, 更别提卫星之上或许还存在着人员。

猎板同国内几家航天院所开展过合作, 那他们的要求究竟有多离谱呢? 就拿一个过孔的内壁粗糙度来说, 其要求处于5微米以内。而普通板厂的标准是15到20微米。要是粗糙度变大了, 在高速信号进行传输之际就会出现反射现象, 进而致使误码产生。你试想一下, 要是卫星指令传错了, 偏差了几秒钟, 那轨道调整可就全乱套了。

所以你看，不是所有电路板都有资格上天的。

那种能够于太空中持续稳定运行超出十年时长的设备, 其背后是众多工程师在绘制图纸之际、在生产线上之时、在测试台上耗费心血得来的。每一条线路的走向, 每一个孔的穿过情况, 每一个用于焊接的盘状部位, 皆是经过反复核算以及验证之后所呈现的结果。

航天电子，听起来高大上，实际上就是四个字：不出错。

不出错，就是最大的本事。

猎板所能够达成的, 乃是促使每一片板子, 于出厂之前, 皆历经一回仿若地狱规格般的严峻考验, 其余的事宜, 便交付予那天空中闪烁的星星去予以验证。