El proceso de fabricación de circuitos impresos (PCB) aeroespaciales, ligeros y de alta resistencia, representa una fusión perfecta entre la ciencia de los materiales, la mecánica estructural y la fabricación de precisión. Cada avance tecnológico impulsa el desarrollo de naves espaciales más ligeras, resistentes y duraderas. Desde satélites de órbita baja hasta la exploración del espacio profundo, estos PCB, ocultos en el interior de estos dispositivos, sustentan silenciosamente el sueño de la humanidad de explorar el universo.
Sustituir los materiales tradicionales por nuevos materiales
Los sustratos ultrafinos son clave para la reducción de peso. Las placas de circuito impreso (PCB) aeroespaciales suelen utilizar sustratos de 0,1 a 0,2 mm de espesor, lo que minimiza el uso de material sin comprometer el rendimiento del aislamiento. En una PCB para satélites, se redujo el espesor del sustrato de 0,25 mm a 0,15 mm, logrando una reducción de peso del 30% y superando las pruebas de vibración. Además, se requiere una resina de alta resistencia para el sustrato.
Los materiales de refuerzo de baja densidad pueden sustituir a la fibra de vidrio tradicional. Al reemplazar la fibra de vidrio con fibra de carbono o fibra de aramida, se mantiene la resistencia y se reduce el peso. La fibra de carbono tiene una densidad de tan solo 1,7 g/cm³. Los sustratos de PCB reforzados con fibra de carbono son 25% más ligeros que el FR-4 tradicional y ofrecen una mayor resistencia 40%. Además, la metalización también requiere optimización. El uso de una fina lámina de cobre en lugar de la capa estándar de cobre de 18 μm puede reducir significativamente el peso.
La tecnología de láminas delgadas de cobre reduce el consumo de metal. El espesor de la capa de cobre en las placas de circuito impreso (PCB) aeroespaciales se ha reducido de los típicos 35 μm a 18-25 μm, e incluso se pueden utilizar láminas ultrafinas de 12 μm para líneas de señal de alta frecuencia. Mediante la optimización del proceso de electrodeposición, la lámina delgada de cobre mantiene una adhesión de 1,5 N/mm, lo que garantiza su resistencia a las vibraciones.
Utilizar una estructura central de panal para mejorar la resistencia al impacto
La estructura de núcleo de panal es un sello distintivo de las placas de circuito impreso (PCB) aeroespaciales. Un núcleo de panal de aluminio o aramida se encuentra intercalado entre dos capas de sustrato, creando una estructura tipo sándwich. Este diseño puede aumentar la resistencia al impacto en 2001 T/T, aunque también incrementa el peso en 101 T/T.
El refuerzo local se diseña para actuar en las zonas de concentración de tensiones. En las áreas de la placa de circuito impreso situadas bajo componentes pesados como conectores y chips, la tensión por vibración se dispersa aumentando el espesor del material base (localmente hasta 0,5 mm) o incorporando refuerzos metálicos.
Se requieren procesos de protección especializados para adaptarse al entorno espacial.
El chapado en oro es esencial para la protección contra la corrosión. El plasma espacial y las partículas de alta energía pueden corroer las capas de cobre, por lo que las almohadillas y vías de las PCB requieren un chapado en oro de 5 a 10 veces más grueso que el de las PCB convencionales. La tasa de corrosión del chapado en oro en el espacio es de tan solo 0,01 μm/año, lo que garantiza el correcto funcionamiento del circuito durante los 15 años de vida útil del satélite. Se utilizan recubrimientos de protección contra la radiación para proteger contra las partículas de alta energía. Se aplica un recubrimiento de poliimida que contiene boro o plomo a la superficie de la PCB para absorber los rayos gamma y los protones en el espacio, evitando así los daños por radiación en los circuitos.
Control de peso y resistencia
La fabricación de circuitos impresos para la industria aeroespacial requiere una precisión a nivel de micras; incluso los defectos menores pueden convertirse en fallos fatales en entornos extremos.
La laminación de alta precisión garantiza la estabilidad estructural. La tolerancia de laminación de las PCB multicapa debe controlarse dentro de ±5 μm para evitar la concentración de tensiones causada por la desalineación entre capas. Se utiliza un proceso de prensado en caliente al vacío para unir perfectamente el sustrato y los materiales de refuerzo, logrando una resistencia al despegue entre capas de ≥1,5 N/mm, 1,5 veces superior a la de las PCB convencionales. El corte por láser UV de pistas y vías alcanza una precisión de ±2 μm, lo que permite la creación de microvías de 0,05 mm en un sustrato de 0,1 mm de espesor, reduciendo el consumo de material y garantizando la densidad de pistas.
Las pruebas para circuitos impresos aeroespaciales son rigurosas y simulan los entornos extremos de todo su ciclo de vida, desde el lanzamiento hasta la operación en órbita:
Las pruebas de vibración y choque simulan el lanzamiento de un cohete: 10 horas de vibración a frecuencias de 10 a 2000 Hz (aceleración de 20 G), seguidas de una prueba de choque de 1000 G (duración de 1 ms). La placa de circuito impreso debe estar libre de grietas y soldaduras defectuosas.
Las pruebas de ciclos térmicos abarcan el rango extremo de temperaturas del espacio: 1000 ciclos desde -150 °C hasta 120 °C, cada ciclo con una duración de 30 minutos, con un requisito de cambio de resistencia ≤5%. Las PCB convencionales se vuelven quebradizas y se agrietan a -100 °C, mientras que las PCB aeroespaciales mantienen su resistencia gracias a la resistencia a las bajas temperaturas por congelación del sustrato de PI.
La relación peso/resistencia es una métrica clave: las PCB aeroespaciales deben tener una "resistencia específica" (resistencia/peso) de ≥200 N·m/kg, en comparación con solo 50 N·m/kg para las PCB convencionales.
