Я работаю в Altium. Владимир Комиссаров про специфику работы в космической отрасли

0
2903
Про специфику работы в космической отрасли

Владимир Комиссаров, инженер и пользователь Altium Designer, рассказывает о своём опыте работы в космической отрасли.

В прошлой статье Владимир Комиссаров (Linkedin) рассказал о своём пути в профессии.

Специфика работы в космической отрасли

Ведение космических проектов имеет свои особенности, которые зачастую выходят далеко за границы проектирования плат и схем, однако есть моменты, имеющие непосредственное отношение к используемым CADам.

«оловянные усы» («tin whiskers»)

Например, существует 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.

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

Защита компонентов платы от вибрации

Разработчики Altium предусмотрели специальные механические слои «Coating» и «Glue Points», упрощающее процесс разработки.

Разработчики Altium предусмотрели специальные механические слои «Coating» и «Glue Points», упрощающее процесс разработки.

Но давайте перейдем к более интересным аспектам разработки электроники для космоса – к радиации и температурным перепадам.

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 15°C. При уходе спутника в тень Земли на 30 минут она может падать до 5°C-10°C, а потом, при возвращении на освещенную сторону, снова подниматься до 15°C-20°C.

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 -70°C 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 -55°C.

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.

В old-school space индустрии, конечно, распространены керамические корпуса, монтируемые на специальных «пружинных столбиках» (кейворд: «ccga»), заменяющих шарики припоя в случае классического BGA.

«пружинные столбики» («ccga»)

«пружинные столбики» («ccga»), фото

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).

Радиация в космосе

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.

Влияние радиации на электронику

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: 5–10 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, и так далее – один чип может стоить десятков тысяч долларов. Зачастую трудно сказать, для какой задачи какой подход более оптимален, но я рад, что обе эти сферы развиваются параллельно.

Температура

Если говорить более предметно о платах и CADах, то стоит упомянуть, что вся космическая электроника в плане механики – это платы, 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.

Коллектив и инструментарий

Поскольку разработкой электронной начинки спутника занимаются крупные команды, требования, предъявляемые к удобству менеджмента библиотек в CAD, выходят на первый план. Если инструменты ведения базы компонентов не продуманы, то ввиду влияния человеческого фактора и качество библиотек неизбежно снизится. Я был свидетелем того, как молодые инженеры вместо создания с нуля сложного посадочного места для оптимально подходящего компонента предпочитали “натаскать по чуть-чуть” из старого проекта, 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.

Мысли про Altium

Altium всегда имел преимущество, благодаря своему исключительно удобному пользовательскому интерфейсу: развитая система горячих клавиш, единая логика, сквозное проектирование в одном окне – это здорово.

Altium Designer занимает интересную нишу – на мой взгляд, в нём можно сделать 90% любых проектов. Для оставшихся 10% в нём просто нет инструментов, но тут речь идёт об очень серьезных задачах проектирования: ВЧ оборудование, субстраты, продвинутые HDI технологии, проработка топологии скоростных интерфейсов (40GbE и дальше). Там правят бал CADы с гораздо более длинной историей – Cadence, Mentor.

Лет пять назад у меня сложилось ощущение, что Altium как продукт выработал ресурсы для роста: были какие-то подвижки в стороны, поддержка каких-то сторонних решений для проектирования тач-падов, но путей для стабильного направления развития заметно не было. И вдруг всё круто изменилось: начиная с 19 версии появилась возможность расчета импеданса на основе технологий Simberian; стала доступной подстройка длины цепей и выравнивание проводников на основе времени распространения сигнала, а не только исходя из физической длины проводников, трассировка под произвольным углом, гибкие настройки стека, система работы и вывода документации. Мне кажется, это очень правильное направление развития, особенно в комбинации с продвинутым UI/UX дизайном, которым Altium традиционно славится.

Часто в практике использую гибко-жесткие печатные платы, и тут Altium чемпион юзабилити: покрутить плату в разных конфигурациях сгибов в 3D и примерить сборку в корпусе очень облегчает жизнь разработчика и позволяет визуально оценить адекватность сборки.