¿Cómo diseñar la electrónica para que dure 40 años o más?

Question

He estado leyendo sobre el espacio Voyager sondas y tengo mucha curiosidad por saber cómo se diseña la electrónica y la instrumentación para una vida muy larga (más de 40 años) sin ningún tipo de mantenimiento físico.

Mis conjeturas hasta ahora incluyen:

• Protección física de los componentes (caja metálica resistente y encapsulado)
• protección del medio ambiente, manteniendo los aparatos electrónicos calientes y secos.
• Redundancia (es decir, duplicados) siempre que sea posible.

Pero, ¿qué pasa con los componentes individuales en sí? ¿Cómo se garantiza que un diodo, transistor o condensador dure tanto tiempo? O aún más difícil, ¿qué pasa con los microprocesadores (aunque primitivos)?

Supongo que subestimar los componentes podría ayudar (es decir, utilizar un condensador de 12 V en un circuito de 5 V, o hacer funcionar un procesador de 8 MHz a 4 MHz, o utilizar un cable de 100 mA para una corriente de 1 mA).

¿Pero tiene que haber algo más que eso? ¿O es todo esto parte del milagro de las sondas, el hecho de que sigan funcionando ahora?

Answer 1

Usted preguntaba específicamente por las sondas espaciales, pero su pregunta tenía también un sabor más general. He abordado el tema de "cómo hacer que las cosas duren" en general. En el espacio, por ejemplo, es muy poco probable que los aspectos de la red eléctrica sean relevantes, pero los problemas de alimentación sí lo son.
Esta respuesta es necesariamente incompleta y se superpone a otros comentarios y respuestas en algunas áreas. Esto está "fuera de mi cabeza". Puedo volver y añadir más cosas más tarde. O no:

Hace tiempo me propuse construir lámparas solares portátiles, fabricadas en masa en China, con un objetivo de vida útil de 20 años. Eso es lo que quería el cliente. El cliente, los fabricantes y Murphy conspiraron contra mí en todo momento. Fracasé. Pero me las arreglé para hacer algunos productos seriamente robustos en el proceso. Uno de estos días... :-).

No todo lo que sigue se deriva de la experiencia anterior. Pero una buena parte está "informada" por ella.

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No utilice tapones electrolíticos de aluminio mojados.

No utilice tapones de tantalio.

• OK - puedes usar tapas de tantalio si realmente sabes lo que estás haciendo.
  Como punto de partida, no utilice tapones de tantalio.

Mira a ver si Rad Hard es capaz de ayudar (aunque no sea en un entorno de radiación intensa).

Reducción de la temperatura para aprovechar (o evitar) Arrhenius multiplicador.

Utilice un magnífico revestimiento de conformación.

• Un revestimiento de conformidad DEBE tienen poco o ningún vacío en la superficie del PCBA, poca agua disuelta, baja degradación en el entorno aplicable, no producen productos de degradación perjudiciales y/o barrenan los productos de degradación.

TODOS los revestimientos pasan el vapor de agua. Hay dos factores que pueden ayudar enormemente.

• Tener una superficie esencialmente libre de vacíos contra el PCBA y

• Un revestimiento con un bajo contenido de agua disuelta para que haya un mínimo de agua líquida en el revestimiento

se combinan para permitir que la concentración de agua que llega a la superficie sea muy baja y que la velocidad de reacción se reduzca en consecuencia.

• Como ejemplo de productos de degradación y barrido. Los paneles fotovoltaicos (solares) con frente de vidrio tienen una mínima transmisión de agua a través del vidrio (no es una sorpresa). El material de unión estándar de la industria es el plástico EVA, que se polimeriza por calor y presión para formar una capa adhesiva esencialmente libre de vacíos entre el vidrio y las células fotovoltaicas. El ataque gradual de los rayos UV durante más de una década produce productos que potencian la corrosión de las células. Las láminas frontales de vidrio modernas contienen sustancias que absorben estos productos de reacción. Se obtienen "fácilmente" vidas útiles de más de 30 años. [Tengo un panel fotovoltaico de 50 vatios de BP, viejo y cansado, pero que sigue funcionando, con más de 40 años de antigüedad.]

• El parileno es el rey pero no es la única respuesta (Ver Aquí y Aquí ). Utilice el PArylene adecuado: es una familia y algunos se adaptan mejor a unas zonas que a otras.
  Dow Corning* 1-2577 y familia son "bastante buenos".

No confíe en los agentes adhesivos para mantener las cosas juntas o en su sitio.

• Las gomas de silicona sin ácido ofrecen más de 20 años de servicio si se adaptan correctamente a las superficies. Pueden durar 30 o 40 años, o más. ¿Confía usted en que alguien garantice que esto sea así?
  Los materiales de la superficie son importantes: los expertos le dirán qué se necesita para las superficies difíciles.
  Pero, no depender de agentes aglutinantes es mejor.

Proteja adecuadamente las vibraciones.

• Tenga en cuenta que mientras los materiales ferrosos tienen un límite inferior de tensión por debajo del cual no se produce el fallo por fatiga, los metales no ferrosos no tienen NINGÚN LÍMITE INFERIOR DE TENSIÓN por debajo del cual no se producirá finalmente el fallo por fatiga. Así, por ejemplo, un soporte de aluminio sometido a un esfuerzo muy inferior a su límite de tracción puede fallar después de, por ejemplo, 35 años si se somete a esfuerzos repetidos hasta un límite inferior.

Reducir la tensión en exceso en las zonas en las que sea necesario.
NO disminuya la tensión cuando sea inapropiado.

• Por ejemplo, los ecaps húmedos de Al que NO estás usando no deberían funcionar muy por debajo de la especificación de voltaje.

Tenga en cuenta los atributos de la tapa de cerámica que pueden perjudicarle.
Por ejemplo, el zumbido de la tensión en los pasos de tensión, los picos de tensión microfónicos y mayores de las vibraciones aposentadas.

Conozca los mecanismos de corrosión.

• Algunos revestimientos proporcionan una protección electroquímica de sacrificio de los metales subyacentes.
  Algunos no lo hacen.
  Algunos son peores a largo plazo que la ausencia de revestimiento. Por ejemplo, los revestimientos de zinc "galvanizados" protegen el hierro/acero subyacente al ser más activos electroquímicamente.

Pero, por ejemplo, el níquel (o el ahora mucho menos visto estaño) NO proporcionan protección electroquímica, sino todo lo contrario. Estos recubrimientos proporcionan barreras mecánicas a los productos de la corrosión. Si / una vez / cuando el revestimiento se rompe en una pequeña zona, se forma una célula electroquímica que se dirige selectivamente a la capa subyacente y la pequeña zona expuesta significa que la tasa de corrosión es mayor que si el artículo NO estaba chapado (!).

En cualquier caso, NO UTILICE RECUBRIMIENTOS DE LATÍN - véase más abajo

No utilizar revestimientos de estaño

• Hoy en día, el estaño tiene fama de que le crecen bigotes en las superficies, a veces a gran velocidad y a veces con longitudes asombrosas. En algunos casos, el crecimiento de los bigotes dura décadas y no tiene importancia. En otros casos, pueden producirse fallos en periodos muy cortos (por ejemplo, menos de un año).
  Se cree que al menos un satélite de comunicaciones se ha perdido debido a los bigotes de estaño.
• Tengo unos relés muy antiguos. Algunas de sus superficies metálicas son suaves al tacto. Otras partes son extremadamente ásperas y los bigotes de estaño que brotan son claramente visibles.

Ten en cuenta que el IME es importante.

• La EMI (interferencia electromagnética) en los niveles habituales puede diseñarse formalmente contra ella. Si sabe con certeza que nadie va a utilizar un amplificador lineal de 1 kW, un magnetrón sin blindaje, una fuente de chispas de alta energía, .... a una distancia crítica de su producto durante los próximos 40 o 50 años, puede decidir no protegerse contra ello. Si no está seguro de ello, la protección puede ser necesaria.

Ten en cuenta los problemas de la red eléctrica y de la alimentación en el peor de los casos.

• Un dispositivo de muy larga duración suele tener un suministro de energía externo. Por lo general, la red de CA, la batería cargada de alguna fuente externa o tal vez solar. Tal vez térmica, radiactiva, ... .

• Si su entrada de red, por ejemplo, de 110 VAC o 230 VAC, NUNCA tendrá una línea de 11 kV en su alimentador en los próximos 40 años, entonces no querrá protegerse contra esa posibilidad. A veces oigo que los teléfonos saltan de las paredes o que las casas estallan en llamas cuando esto ocurre. Es raro. Pero ocurre. Hay un límite contra el que puedes elegir protegerte. Tienes que elegir cuál es ese límite.

• Los relámpagos suceden. En dos años he perdido dos impresoras multifunción por la caída de un rayo en una zona residencial no conocida por la excesiva actividad de los rayos. Después de la segunda decidí que tener una línea de fax conectada a mi impresora estaba sobrevalorada. Ningún teléfono resultó dañado.

• Los picos de energía de la red pueden ser "muy entusiastas". Hay normas que deben cumplirse para protegerse de ellas. A Murphy no le importan las normas.

Utilice sólo proveedores totalmente fiables y asegure la procedencia de todas las fuentes de piezas.

• Estos se superponen. En algunos casos puede tratar directamente con proveedores o intermediarios.

• Asegúrese de conocer la posición de la entidad con la que está tratando. En Asia, un proveedor que se hace pasar por el fabricante puede, de hecho, estar revendiendo productos de otro lugar.

• Las visitas a las fábricas ayudan, pero no hay que dejarse engañar. (Yo lo he hecho). Y asegúrese de que los productos que proceden de una fuente determinada siguen procediendo de esa fuente.

• Los productos de marca con buena reputación suelen ser falsificados. Asegúrate de que lo que recibes ES del fabricante reclamado. [Por ejemplo, las pilas GP (Goldpeak) AA NiMH (y otras) son relativamente desconocidas con ese nombre en el país, pero GP es uno de los mayores fabricantes de pilas de China. Tanto es así que abundan los imitadores piratas de GP.

• No tienes que comprar a un proveedor que defienda celosamente su reputación (Digikey, Mouser, ....) o productos de fabricantes de reputación impecable, pero ciertamente ayuda.

• Si tiene que adquirir un producto y no tiene tiempo para realizar la debida diligencia o comprobar las fuentes, si Panasonic lo fabrica, compre Panasonic. (Eso es más o menos con un :-) - pero también lo digo en serio. No tengo ningún vínculo financiero o comercial con Panasonic, pero no recuerdo que lo hayan hecho nunca más que magníficamente en cualquier área que decidan tocar).

Aprende cómo funciona Murphy.

• Si algo puede salir mal, lo hará.
  Si sabes que algo no puede salir mal, Murphy hará todo lo posible para demostrar que tu conocimiento es falso. Busca todos los modos de fallo multifactoriales posibles, y todos los imposibles que puedas manejar.

Las series de fallos o condiciones imposibles no son tan imposibles como nos gustaría

• Una gran parte de las grandes catástrofes se producen cuando se dan simultáneamente 3, 4 o 5 acontecimientos casi imposibles. Esto ocurre con la suficiente frecuencia como para pensar que la gente se da cuenta, pero parece que no es así.

Answer 2

En pocas palabras, calidad, calidad, calidad.

Lo primero que hay que hacer es utilizar piezas de alta fiabilidad. La NASA especifica 4 niveles de calidad, empezando por el comercial (el grado más bajo), pasando por el '883B (una norma militar); luego el nivel Q de QML, y finalmente el nivel V de QML.

Con el aumento de los niveles de calidad se reducen los índices de fracaso previstos. Esto significa que cuando se hace la predicción de fiabilidad (o más exactamente, la probabilidad de éxito de la misión), la Ps aumenta con las piezas de mejor calidad.

La reducción de potencia adecuada también tiene que ver con esto, sobre todo con la nueva tecnología o las nuevas piezas para las que no hay historial. A veces nos dicen que utilicemos un MOSFET de 100 V para una aplicación de 20 V por este motivo.

La redundancia ayuda mucho. Pero la redundancia conlleva una mayor complejidad y un mayor número de piezas, lo que en realidad empeora la tasa de fallos en serie.

Con cualquier diseño de alta relación, es necesario hacer un análisis para identificar y mitigar, en la medida de lo posible, cualquier fallo de punto único (SPF). Un SPF es un fallo que degradaría o causaría la pérdida de toda la función o misión. El análisis de los SPF es especialmente importante cuando se emplea la redundancia, ya que no se desea que un solo fallo haga que tanto el conjunto de hardware primario como el redundante no funcionen.

Por último, sobre esas misiones Voyager, apuesto a que fueron diseñadas para una vida de misión de 8 o 10 años, no de 40.

Editar 1:

Aunque no se puede probar un sistema altamente fiable, las pruebas desempeñan un papel importante a la hora de eliminar las partes marginales. Todos nuestros conjuntos se someten a algún tipo de prueba de estrés ambiental, que incluye pruebas de funcionamiento en el rango de temperatura previsto y ciclos de temperatura, tanto con alimentación como sin ella. Los sistemas destinados al espacio se someten a pruebas en una cámara de vacío térmico (TVAC). También pueden someterse a pruebas de vibración o choque, pero éstas suelen realizarse en un artículo de prueba.

EDIT 2 8/6/2020 - Se ha añadido una nota sobre los cambios de temperatura

Varios de los que han respondido a esta pregunta han mencionado la temperatura y sus efectos en la fiabilidad. Así que he pensado en exponer esto un poco más.

Los semiconductores presentan una tasa de fallos que se duplica aproximadamente por cada 10 grados C de aumento de la temperatura. Hay artículos que discuten si 2X es el valor correcto; que tal vez debería ser 1,8, o 2,5, o alguna otra cantidad. Pero para los propósitos de esta discusión usaré 2X ya que es un valor "aceptado" por la industria, el gobierno y las disciplinas de fiabilidad.

Con esto fuera del camino, tiene sentido que, desde el punto de vista de la fiabilidad, quieras mantener tus aparatos electrónicos tan frescos como sea posible. Una temperatura de funcionamiento de 85 grados C es mejor que 95 grados C, y 75 grados C es mejor que 85 grados C.

Pero además de la temperatura de funcionamiento, ya sea media o máxima, también existe la oscilación o variación de la temperatura. Las oscilaciones de temperatura son malas desde el punto de vista de la fiabilidad, ya que son los cambios de temperatura los que estresan las interconexiones, en particular las de los CI o incluso las de los semiconductores discretos. Estos cambios de temperatura inducen una tensión en la interconexión entre el componente y la placa debido a las diferencias en los coeficientes de expansión térmica (CTE) entre el componente y la placa. Por ejemplo, una placa de circuito impreso FR4 típica tiene un CTE de ~15 ppm, mientras que un paquete BGA puede tener un CTE más cercano a 6 ppm. Estas diferencias en el CET hacen que se ejerza una tensión en las juntas de soldadura que unen la pieza a la placa a medida que cambia la temperatura. Estas tensiones son proporcionales a los cambios de temperatura y al tamaño del encapsulado y, con el tiempo, si se dan suficientes ciclos de temperatura, pueden provocar la fractura de la junta de soldadura o de la fijación a la placa.

Las piezas con plomo, como los antiguos paquetes planos de 14/16/20 pines, son mucho más tolerantes en este entorno que los paquetes rígidamente unidos, como los Ball Grid Arrays (BGA), porque los plomos de los primeros proporcionan una cantidad significativa de conformidad que reduce la tensión en la junta de soldadura.

La razón de traer todo esto a colación es que lo que nos suele importar es la fiabilidad del sistema en su conjunto, o más propiamente la Probabilidad de Éxito de la Misión (Ps) del sistema. Debido a cómo los cambios de temperatura y la temperatura media de funcionamiento afectan a varios aspectos de la fiabilidad del sistema, puede resultar que sea mejor hacer funcionar un sistema a una temperatura más alta y constante (digamos 85 grados C) en lugar de dejar que la temperatura oscile entre 10 grados C y 70 grados C de forma regular.

Answer 3

Recuerdo un negocio llamado Continental Testing Laboratories. Tenían el primer ordenador que utilicé. Existían tarjetas perforadas para CADA resistencia, condensador, transistor, diodo, que pasaba por la prueba/calor/prueba/calor/prueba/calor, donde se examinaban los parámetros para el DRIFTING.

Se descartaron los componentes que se desviaron de los demás componentes.

También han hecho una radiografía de los componentes para buscar huecos y partículas extrañas.

Con todo esto, una resistencia de 1 céntimo se convierte en 100 céntimos, y tiene una pequeña etiqueta adjunta, por lo que la documentación final del circuito describe los parámetros registrados para cada componente.

Se supone que los transistores rastrean si son pares_diferenciales dentro de una caja metálica de 6 terminales (como los 2n2020, si no recuerdo mal). Así, se supone que el bombardeo de neutrones en órbita degrada el Beta de cada transistor por igual, y se mantiene la "coincidencia".

Se supone que la V_base_emisor no deriva perfectamente, por lo que un margen de diseño para la tensión de offset pasa a formar parte de su análisis de diseño en el peor de los casos (se utilizaron reglas de cálculo).

Implementar algo mejor que unos ADCs de 8 o 10 bits no es posible usando los discretos permitidos. Creo que BurrBrown o TRW pueden haber producido redes DAC de metal_hybird que se mostraron adecuadamente estables durante décadas.

Además, al equipo en el que trabajé se le asignó un INGENIERO TÉRMICO; éste utilizaba métodos de elementos finitos (en un IBM 1630) para modelar los flujos de calor.

Como las aplicaciones eran espaciales, las potencias asignadas eran PEQUEÑAS, y un simple plano de tierra a un perno de montaje (o 4 o 6 de ellos, para manejar los golpes) era todo lo que se necesitaba para dejar que el calor fluyera fuera del circuito/PCB/módulo al chasis de la nave espacial y luego se irradiara al espacio.

Para evitar la congelación de la nave, he oído que se utilizan obturadores, que regulan la parte de la nave que queda expuesta al frío del espacio.

\================================ 6 de agosto de 2020

Específicamente siguiendo la respuesta de SteveSh y los párrafos sobre el calor

• tener planos incrustados para Tierra(s) y para VDD(s) son excelentes.

• Aunque el FR-4 es un mal conductor del calor (su vidrio y pegamento), las capas adyacentes de Planos intercambiarán fácilmente el calor, especialmente si tiene 4 capas o 6 capas en total de 1/16" de espesor. Por lo tanto, los planos de potencia son tan útiles como los planos de tierra para la eliminación del calor.

• Puede utilizar una lámina de cobre más gruesa, para disminuir el R_térmico de la lámina en 2:1 o 4:1

• Ejemplo: 1 vatio (¿MCU?) de tamaño 1centimetro, en el centro de una placa de 9_cm con láminas de cobre berilio en 2 de los 4 bordes, para eliminar el calor. Esa huella de 1cm^2 tiene OCHO cuadrados circundantes de 1cm (en una cuadrícula de 3 * 3). Si el único plano es el de tierra (ejemplo), entonces la eliminación del calor será como máximo de 70 ° C por vatio por cuadrado dividido por 8 (las OCHO vías de salida del calor), o 8 ° C por vatio.

• Pero el calor todavía no está en el borde de la PCB (donde los card_edge_slides eliminarán el calor al chasis de la nave.

• Se trata de una placa de circuito impreso de 9 cm por 9 cm. Modifícalo como grandes cuadrados, cada uno de 3 * 3 cm; así tenemos ahora una nueva rejilla, llenando completamente la PCB. El cuadrado del medio es nuestra fuente de calor. Asumiendo que el calor fluye a la izquierda y a la derecha hacia los porta-tarjetas, podemos utilizar SEIS de los 8 cuadrados grandes como eliminación de calor (los 2 cuadrados del centro, arriba y abajo, no están en contacto con los porta-tarjetas). Con 6 cuadrados de eliminación de calor, la resistencia adicional al flujo de calor es de 70/6 = 11 ° C por vatio.

• Por lo tanto, el R_térmico, desde la MCU de 1 cm hasta los bordes de la placa de circuito impreso de 9 cm por 9 cm, es de 9 + 11 ° C por vatio, o 20. Esto supone que la MCU vierte fácilmente el calor en al menos un PLANO.

• Una lámina más gruesa dejará caer esto. Más aviones lo harán caer.

Answer 4

De hecho, Directrices de diseño de PCB de la NASA responde a su pregunta. Además de la PCB, Normas de trabajo de la NASA abarca aspectos como la preparación de los cables, los terminales engarzados, el cableado discreto, el mazo de cables, etc.

Un extracto de la Sección 6

Answer 5

Calcular el MTBF sería probablemente la mejor manera de hacerlo. Descalificar los componentes es una forma de aumentar el MTBF.