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APRESENTAÇÃO
Graduado em Engenharia Elétrica, especialização em projeto de sistemas digitais pela SAE
Brasil.
Trabalha com...
SISTEMAS DE APLICAÇÃO CRÍTICA
EXEMPLOS:
• ESPACIAL
• MILITAR
• AUTOMOTIVO
• O&G
• GERAÇÃO
• outros
APLICAÇÃO ESPACIAL
FASES:
• CHEGANDO LÁ (GETTING THERE)
• ESTANDO LÁ (BEING THERE)
APLICAÇÃO ESPACIAL
CHEGANDO LÁ (GETTING THERE)
PRIMEIRO DESAFIO:
• Vibração mecânica
• Vibração acústica
O projeto deve co...
APLICAÇÃO ESPACIAL
ESTANDO LÁ (BEING THERE)
SEGUNDO DESAFIO:
• RADIAÇÃO
• STRESS TÉRMICO
Sobreviver às condições de operaç...
RADIAÇÃO EM AMBIENTE ESPACIAL
PRINCIPAIS FONTES:
• Radiação Solar
• Raios cósmicos vindos de fora ou do sistema solar
• Pa...
RADIAÇÃO EM AMBIENTE ESPACIAL
CINTURÃO DE VAN ALLEN
ARMAZENA PRÓTONS E ELÉTRONS
• Cinturão interno: 1200-6000km
Eletrons c...
RADIAÇÃO EM AMBIENTE ESPACIAL
NÍVEIS DE ÓRBITA
• LEO - órbita terrestre baixa
-ISS, Hubble (órbita de 92min)
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NÍVEIS DE ÓRBITA
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NÍVEIS DE ÓRBITA
EFEITO DA RADIAÇÃO NA ELETRÔNICA
EFEITOS DA EXPOSIÇÃO A RADIAÇÃO AO LONGO DO TEMPO
EFEITOS:
• Efeitos de dosagem - causado...
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TOTAL IONIZING DOSE - TID
Acúmulo de níveis de dosagem (acúmulo de carga e ‘interface tra...
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causado pela colisão de prótons na estrutura do silício (f...
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SEFI - mitigação
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SINGLE EVENT EFFECTS (SEE)
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SET - mitigação
• Usar grandes capa...
COMPONENTES
QMLV - Qualified Manufacturer List Class V
EXTENSIVO PROCESSO DE SELEÇÃO UTILIZADO PARA CLASSIFICAR OS
COMPONE...
COMPONENTES
QMLV - Qualified Manufacturer List Class V
Qual o motivo de utilizar esse tipo de componente?
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COMPONENTES
QMLV - Qualified Manufacturer List Class V
Testes extensivos, sendo alguns deles:
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COMPONENTES
QMLV - Qualified Manufacturer List Class V
Testes extensivos, sendo alguns deles:
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COMPONENTES
QMLV - Qualified Manufacturer List Class V
Grupos de teste:
• A - teste elétrico do lote
• B - garante que a m...
COMPONENTES
QMLV - Qualified Manufacturer List Class V
Componentes com ‘grade’ automotivo ou militar podem ser utilizados
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COMPONENTES
ENCAPSULAMENTO HERMÉTICO
Compostos por metal e cerâmica
Depende da aplicação e do número de IOs
COMPONENTES
EXEMPLO
COMPONENTES
COMPRA
• em sua grande
maioria são
componentes
de aquisição
restrita
PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO
Materiais empregados
Dielétrico: maior parte são baseados em poliamida reforçada com fibra
de v...
SOLDA
Liga estanho chumbo
• maior estabilidade e robustez
Ligas sem chumbo (lead-free)
• instabilidade na liga
• whisker (...
LAYOUT PCI
RECOMENDAÇÕES PARA O PROJETO DAS PLACAS:
• utilizar ferramentas que auxiliem no desenvolvimento
• simulação elé...
BRASIL - CUBESAT
EMPRESAS PRIVADAS:
PION
www.pionlabs.com.br
CRON
www.cronsistec.com.br
BRASIL - CUBESAT
ALCÂNTARA:
• Hyperion (EUA)
• A Orion Ast (EUA)
• Virgin Orbit (EUA)
• C6 Launch (Canadá)
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Desenvolver hardware para aplicação crítica, ou missão crítica, nunca foi tarefa fácil, especialmente em aplicações aeroespaciais. Entender os motivos e os cuidados que necessitam ser empregados na arquitetura do sistema, seja no projeto ou na produção, fazem a diferença no resultado final, independente da complexidade.

Com a abertura das operações da base de Alcântara realizada pelo Brasil a empresas com “know how” na área de lançamentos de baixo custo, o mercado de nano e micro satélites pode se tornar um nicho a ser explorado, viabilizando nacionalmente o desenvolvimento desse tipo de equipamento e experimentos com custos menos expressivos.
Veja o Webinar gravado em: https://www.embarcados.com.br/webinar-enviando-sua-placa-para-o-espaco-desenvolvimento-de-hardware-para-aplicacoes-criticas/

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  1. 1. APRESENTAÇÃO Graduado em Engenharia Elétrica, especialização em projeto de sistemas digitais pela SAE Brasil. Trabalha com desenvolvimento de hardware/firmware embarcado desde 2010 para aplicações industriais e científica, com experiência nas áreas de eletrônica de potência, agrícola, automotiva, mecânica e processos de usinagem, passando por áreas desde a produção até o P&D. Atuou como engenheiro no Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), colaborando no desenvolvimento das novas fontes de corrente para o novo acelerador de partículas brasileiro, SIRIUS.
  2. 2. SISTEMAS DE APLICAÇÃO CRÍTICA EXEMPLOS: • ESPACIAL • MILITAR • AUTOMOTIVO • O&G • GERAÇÃO • outros
  3. 3. APLICAÇÃO ESPACIAL FASES: • CHEGANDO LÁ (GETTING THERE) • ESTANDO LÁ (BEING THERE)
  4. 4. APLICAÇÃO ESPACIAL CHEGANDO LÁ (GETTING THERE) PRIMEIRO DESAFIO: • Vibração mecânica • Vibração acústica O projeto deve considerar todas as fontes de geração de stress mecânico
  5. 5. APLICAÇÃO ESPACIAL ESTANDO LÁ (BEING THERE) SEGUNDO DESAFIO: • RADIAÇÃO • STRESS TÉRMICO Sobreviver às condições de operação
  6. 6. RADIAÇÃO EM AMBIENTE ESPACIAL PRINCIPAIS FONTES: • Radiação Solar • Raios cósmicos vindos de fora ou do sistema solar • Partículas armazenadas nos cinturões de radiação (Van Allen) Partículas: • Elétrons • Prótons de alta e baixa energia • Ions pesados
  7. 7. RADIAÇÃO EM AMBIENTE ESPACIAL CINTURÃO DE VAN ALLEN ARMAZENA PRÓTONS E ELÉTRONS • Cinturão interno: 1200-6000km Eletrons com carga de ~1-5MeV Prótons com carga de ~10MeV • Cinturão externo: 13000-60000km Prótons com carga de ~10-100MeV (em sua maioria)
  8. 8. RADIAÇÃO EM AMBIENTE ESPACIAL NÍVEIS DE ÓRBITA • LEO - órbita terrestre baixa -ISS, Hubble (órbita de 92min) • MEO - órbita terrestre média -Geolocalização (órbita de 12 horas) • GEO - órbita geoestacionária -Comunicação (órbita de 1 dia)
  9. 9. RADIAÇÃO EM AMBIENTE ESPACIAL NÍVEIS DE ÓRBITA
  10. 10. RADIAÇÃO EM AMBIENTE ESPACIAL NÍVEIS DE ÓRBITA
  11. 11. EFEITO DA RADIAÇÃO NA ELETRÔNICA EFEITOS DA EXPOSIÇÃO A RADIAÇÃO AO LONGO DO TEMPO EFEITOS: • Efeitos de dosagem - causados pela acumulação de grande número de prótons e elétrons ao longo do tempo • Total Ionizing Dose - TID • Displacement Damage Dose - DDD • Single Event Effects (SEE) - causado por ions pesados(rand. no tempo) • Destructive SEE - DSEE • Non-Destructive SEE - NDSEE
  12. 12. EFEITO DA RADIAÇÃO NA ELETRÔNICA TOTAL IONIZING DOSE - TID Acúmulo de níveis de dosagem (acúmulo de carga e ‘interface traps’) podem resultar: • degradação nos níveis de corrente • degradação nos limiares de tensão • degradação do tempo de resposta
  13. 13. EFEITO DA RADIAÇÃO NA ELETRÔNICA TOTAL IONIZING DOSE - TID Categorias de dosagem (classificação do componente): • Low Dose Rate - LDR Transistores Bipolar possuem um pior cenário nesse nível, também chamado de Enhanced Low Dose Rate Sensitivity - ELDRS • High Dose Rate - HDR Transistores CMOS possuem um pior cenário nesse nível Exemplo de atenuação: shield em alumínio (não é 100% efetivo)
  14. 14. EFEITO DA RADIAÇÃO NA ELETRÔNICA TOTAL IONIZING DOSE - TID LDR - taxa de dosagem de 0.01 rad/s HDR - taxa de dosagem de 50 a 300 rad/s
  15. 15. EFEITO DA RADIAÇÃO NA ELETRÔNICA DISPLACEMENT DAMAGE DOSE - DDD causado pela colisão de prótons na estrutura do silício (fenômeno ‘strike’) resultando na falha do componente. CMOS tendem a suportar maiores doses de prótons que a topologia Bipolar
  16. 16. EFEITO DA RADIAÇÃO NA ELETRÔNICA SINGLE EVENT EFFECTS (SEE) Destructive SEE - DSEE SEB - single event burnout SEGR - single event gate rupture SEB e SEGBR são diferentes mas difíceis de se distinguir na prática. ocorrencia em MOSFETs de potência óxido do ‘gate’ é danificado por ‘ion strike’ dependente de corrente tensão
  17. 17. EFEITO DA RADIAÇÃO NA ELETRÔNICA SINGLE EVENT EFFECTS (SEE) Destructive SEE - DSEE SEDR - single event dieletric rupture Similar ao SEGR mas não corre em semicondutores de potência, afetando óxido de capacitores
  18. 18. EFEITO DA RADIAÇÃO NA ELETRÔNICA SINGLE EVENT EFFECTS (SEE) Destructive SEE - DSEE Possível solução: Redundância • uso de sistemas triplos ou primário/secundário • adiciona complexidade, peso ao sistema • uso de backplane com gerenciamento de falha Objetivo final: reduzir o risco de falha
  19. 19. EFEITO DA RADIAÇÃO NA ELETRÔNICA SINGLE EVENT EFFECTS (SEE) Non Destructive SEE - DSEE Single Event Upset - SEU Inversão de um bit digital de 0 para 1 ou de 1 para 0. Alguns componentes podem não apresentar SEU com ions ou prótons de baixa energia Alguns componentes podem ser “SEU free” para certos níveis de órbita
  20. 20. EFEITO DA RADIAÇÃO NA ELETRÔNICA SINGLE EVENT EFFECTS (SEE) Non Destructive SEE - DSEE Single Event Transient - SET Causado por ‘strike’ de ion nas saídas analógicas Praticamente todos os componentes analógicos sofrem SET
  21. 21. EFEITO DA RADIAÇÃO NA ELETRÔNICA SINGLE EVENT EFFECTS (SEE) Non Destructive SEE - DSEE Single Event Transient - SET SET é altamente dependente da condição de operação do circuito • Reguladores: tensão de entrada e saída, corrente e capacitância • Opamps: configuração, tensão de alimentação, entrada diferencial, realimentação...
  22. 22. EFEITO DA RADIAÇÃO NA ELETRÔNICA SINGLE EVENT EFFECTS (SEE) Non Destructive SEE - DSEE Single Event Transient - SET Possível solução: modificar as condições de operação e aplicação
  23. 23. EFEITO DA RADIAÇÃO NA ELETRÔNICA SINGLE EVENT EFFECTS (SEE) Non Destructive SEE - DSEE Single Event Functional Interrupt - SEFI Causado por ‘strike’ de ion resultando em mudança no estado de operação do CI Pode ter diferentes efeitos dependendo do componente
  24. 24. EFEITO DA RADIAÇÃO NA ELETRÔNICA SINGLE EVENT EFFECTS (SEE) Non Destructive SEE - DSEE Single Event Functional Interrupt - SEFI • Componentes programados: flip em registradores, necessário reprogramação • Componente com circuito de reset: ativação errônea, podendo ou não se recuperar do reset, possível necessidade de reprogramação • Componente com pino de desligamento: acionamento indevido
  25. 25. EFEITO DA RADIAÇÃO NA ELETRÔNICA SINGLE EVENT EFFECTS (SEE) Non Destructive SEE - DSEE SEFI - mitigação • Usar devices sem registradores • Reconfigurar os registradores de tempos em tempos (off-time) • Monitorar o comportamento e então reconfigurar os registradores
  26. 26. EFEITO DA RADIAÇÃO NA ELETRÔNICA SINGLE EVENT EFFECTS (SEE) Non Destructive SEE - DSEE SET - mitigação • Usar grandes capacitores na saída, bem como circuitos RC para atenuar transientes • Utilizar diodos de proteção nas entradas • Monitorar o comportamento, caso necessário comutar para circuito redundante
  27. 27. COMPONENTES QMLV - Qualified Manufacturer List Class V EXTENSIVO PROCESSO DE SELEÇÃO UTILIZADO PARA CLASSIFICAR OS COMPONENTES ELETRÔNICOS PARA APLICAÇÕES AEROESPACIAIS.
  28. 28. COMPONENTES QMLV - Qualified Manufacturer List Class V Qual o motivo de utilizar esse tipo de componente? 1. Aplicações espaciais apresentam um ambiente mais agressivo em termos de radiação que na Terra. 2. Satélites são caros (algumas centenas de milhares de dólares..), o risco precisa ser mitigado
  29. 29. COMPONENTES QMLV - Qualified Manufacturer List Class V Testes extensivos, sendo alguns deles: • wafer lot acceptance testing • wire bond • bond pull • die shear testing • internal visual inspection to multiple degrees • temperature cycling • pre-burn-in electrical testing
  30. 30. COMPONENTES QMLV - Qualified Manufacturer List Class V Testes extensivos, sendo alguns deles: • burn-in for 240 hours • ambient post-burn-in testing • testing over temperature
  31. 31. COMPONENTES QMLV - Qualified Manufacturer List Class V Grupos de teste: • A - teste elétrico do lote • B - garante que a montagem está sob controle • C - teste de tempo de vida do semicondutor • D - garante que a robustez do encapsulamento está sob controle • E - teste de radiação para aceitação do lote (RLAT) Resultado: documentação
  32. 32. COMPONENTES QMLV - Qualified Manufacturer List Class V Componentes com ‘grade’ automotivo ou militar podem ser utilizados em aplicações aeroespaciais? 1. Não!
  33. 33. COMPONENTES ENCAPSULAMENTO HERMÉTICO Compostos por metal e cerâmica Depende da aplicação e do número de IOs
  34. 34. COMPONENTES EXEMPLO
  35. 35. COMPONENTES COMPRA • em sua grande maioria são componentes de aquisição restrita
  36. 36. PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO Materiais empregados Dielétrico: maior parte são baseados em poliamida reforçada com fibra de vidro pois possuem um coeficiente de temperatura compatível com os encapsulamentos de cerâmica dos componentes Processo de solda: PTH, SMD, Mixed Metalização: hot air(HASL), gold (ENIG, ENIPIG), immersion tin e immersion silver Tipos de placa: Single-sided, Double-sided, Multilayer, Flex, Rigid-flex
  37. 37. SOLDA Liga estanho chumbo • maior estabilidade e robustez Ligas sem chumbo (lead-free) • instabilidade na liga • whisker (cristais) Os processos devem seguir as normas especificadas pela agência espacial
  38. 38. LAYOUT PCI RECOMENDAÇÕES PARA O PROJETO DAS PLACAS: • utilizar ferramentas que auxiliem no desenvolvimento • simulação elétrica • simulação térmica • simulação mecânica • ferramenta e-cad com capacidade para aplicação das regras de design • Seguir as regras de projeto especificadas pelas respectiva agência • ex: European Space Agency (ESA) ECSS-Q-ST-70-12C, tratando sobre análise de integridade de sinal, configuração do stackup para mitigar efeitos causados por interferência electromagnética e placement.
  39. 39. BRASIL - CUBESAT EMPRESAS PRIVADAS: PION www.pionlabs.com.br CRON www.cronsistec.com.br
  40. 40. BRASIL - CUBESAT ALCÂNTARA: • Hyperion (EUA) • A Orion Ast (EUA) • Virgin Orbit (EUA) • C6 Launch (Canadá)
  41. 41. CONTATO e-mail: niltonhr@gmail.com linkedin: www.linkedin.com/in/joaoniltonhenrique
  42. 42. Obrigado

Desenvolver hardware para aplicação crítica, ou missão crítica, nunca foi tarefa fácil, especialmente em aplicações aeroespaciais. Entender os motivos e os cuidados que necessitam ser empregados na arquitetura do sistema, seja no projeto ou na produção, fazem a diferença no resultado final, independente da complexidade. Com a abertura das operações da base de Alcântara realizada pelo Brasil a empresas com “know how” na área de lançamentos de baixo custo, o mercado de nano e micro satélites pode se tornar um nicho a ser explorado, viabilizando nacionalmente o desenvolvimento desse tipo de equipamento e experimentos com custos menos expressivos. Veja o Webinar gravado em: https://www.embarcados.com.br/webinar-enviando-sua-placa-para-o-espaco-desenvolvimento-de-hardware-para-aplicacoes-criticas/

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