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PCBs XGRE HT FM
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CAHIER DES CHARGES POUR LA FABRICATION ET
CABLAGE DES PCBS XGRE HT FM
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Martí Bassas (IRAP)
Accepted by:
Signature:
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Summary : Ce document est le cahier des charges décrivant les prestations de fabrication et
câblage des cartes électroniques Haute tension de l’instrument XGRE du microsatellite
TARANIS, modèles FM et FS (de rechange).
Keywords :
TARANIS, XGRE, High voltage, Fabrication, HT, Haute Tension, Fabrication, Câblage,
FM, FS
DISTRIBUTION LIST
PROJECT
EXTERNAL DISTRIBUTION
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DOCUMENT CHANGE RECORD
Modified
pages
Edition
Revision
Date
Reason for change / Observations
1
1
29/10/2012
1
2
8/04/2014
All
Update to new requirements.
1
3
29/04/2014
All
Minor rewordings and updates.
1
4
29/04/2014
All
Minor rewordings and updates.
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- TABLE OF CONTENTS 1.
GENERAL ............................................................................................................................................................... 4
1.1.
1.2.
1.3.
2.
CONTEXT : MISSION ET INSTRUMENT ........................................................................................................ 6
2.1.
2.2.
3.
OBJET DU DOCUMENT ....................................................................................................................................... 4
APPLICABLE AND REFERENCE DOCUMENTS ...................................................................................................... 4
LIST OF ACRONYMS .......................................................................................................................................... 5
MISSION: TARANIS ........................................................................................................................................ 6
INSTRUMENT : XGRE....................................................................................................................................... 6
DESCRIPTION TECHNIQUE DE LA FOURNITURE CARTES HT ............................................................. 7
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
TAILLE DES PCBS ET DISPOSITION DES COMPOSANTS....................................................................................... 7
COMPOSITION DES ISOLANTS ENTRE-COUCHES. ................................................................................................ 8
CAPOT BLINDAGE ............................................................................................................................................. 9
ASSEMBLAGE ET CABLAGE ............................................................................................................................. 11
4.
PLAN DE DEVELOPPEMENT ET PLANNING .............................................................................................. 15
5.
PRESTATIONS SOUHAITES ............................................................................................................................ 18
5.1.
5.2.
5.3.
6.
DETAIL MODULE 1 ......................................................................................................................................... 19
DETAIL MODULE 2 ......................................................................................................................................... 19
DETAIL MODULE 3 ......................................................................................................................................... 21
REPONSE A L’APPEL D’OFFRE ..................................................................................................................... 22
ANNEXE A.
LISTE DE COMPOSANTS .............................................................................................................. 23
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1. GENERAL
Product name: TARANIS XG – High Voltage Power Supply
Nature of the product: HV power supply in XGREs sensors
1.1. Objet du document
Ce document est le Cahier des Charges qui définit les prestations de fabrication et câblage des
cartes électroniques HT de l’instrument XGRE du microsatellite TARANIS, modèles de vol (FM)
et de rechange.
Ce Cahier des Charges est censé être utilisé pour estimer les coûts et évaluer le faisabilité du
planning par les prestataires intéressés à la réalisation de ces fournitures.
1.2. Applicable and reference documents
REFERENCE DOCUMENTS
Reference
Ed./Rev.
Date
Title of the document
Date
Title of the document
APPLICABLE DOCUMENTS
Reference
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1.3. List of acronyms
APC
CNES
EMC
FM
FS
H/W
HK
HT
HVPS
I/F
ICD
IRAP
NA
PCB
QM
TARANIS
TBC
TBD
XGRE
AstroParticule et Cosmologie
Centre National ďEtudes Spatiales
Electro-Magnetic Compatibility
Flight Model
Flight Spare (modèle de rechange)
Hardware
House Keeping
Haute tension
High Voltage Power Supply
Interface
Interface Control Document
“Institut de Recherche en Astrophysique et Planétologie”
Non Applicable
Printed Circuit Board
Qualifying model
Tool for the Analysis of Radiations from lightNIngs and Sprites
To Be Confirmed
To Be Defined
X, Gamma and Relativistic Electrons
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2. CONTEXT : MISSION ET INSTRUMENT
2.1. Mission: TARANIS
TARANIS est un microsatellite du CNES qui a par but l’étude des phénomènes transitoires
atmosphériques lies à l’activité orageuse. Plus d’info sur ce projet est disponible sur le site web du
CNES:
http://smsc.cnes.fr/TARANIS/
http://www.cnes.fr/web/CNES-fr/9031-taranis.php
2.2. Instrument : XGRE
L’instrument XGRE est conçu et développé par les laboratoires APC et l’IRAP
http://www.apc.univ-paris7.fr/APC_CS/experiences/taranis
Il est composé de 3 senseurs XGRE identiques, identifiés par les appellations XG1, XG2 et XG3.
L’IRAP a la charge du développement, de la fabrication et des tests de deux cartes HT (haute
tansion) qui sont intégrés dans chaque senseur XGRE.
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3. DESCRIPTION TECHNIQUE DE LA FOURNITURE CARTES HT
L’IRAP est responsable de la fourniture des cartes HT du senseur XGRE.
Il s’agit de 2 PCBs par senseur pour les trois senseurs, plus une paire de cartes de rechange, ce qui
fait 8 cartes modèle de vol, assemblées sur 4 supports avec les fils et les connecteurs.
3.1. Taille des PCBs et disposition des composants.
Les PCBs sont de 100mm x 60mm, 4 couches, 2mm d’épaisseur. Cette carte n’a pas des vias
enterrées : toutes sont traversantes.
Figure 1 : Plan mecanique des PCBs HT avec trous. Taille de la carte 100mmx60mm.
Les composants sont soudés en auxdeux côtés des cartes. L’implantation des composants est montré
sur la Figure 2 :
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XGRE
Face
extérieure
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Face
intérieure
Connecteur
DB15HD
Sortie
fils HT
AWG24
Sortie
fils
AWG26
Fenêtre
fils HT
Figure 2 : Plan des composants sur cartes HT.
La liste de composants est ajoutée en ANNEXE A. Les composants sont fournis par l’IRAP.
3.2. Composition des isolants entre-couches.
Cette carte génère des hautes tensions de jusqu’à 1000V, ce qui oblige à prevoir des isolements
entre-couche en conséquence. Après étudier l’état normatif (RNC, ECSS, IPC) et consulter des
experts, le projet a décidé de demander au fournisseur de s’appuyer sur Systronic
(http://www.systronic.com/), qui a des retours d’expérience de méthodologies de fabrication des
isolements entre couche pour des HT.
Cette méthodologie consiste à faire en sort que, entre deux couches conductrices avec des
différences de potentiel HT, il y ait toujour au moins une couche de stratifié (ou substrat typique de
la couche Cu) et une couche de pre-preg.
Figure 3 : Schéma isolement entre-couches HT.
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La justification de cette méthodologie de fabrication repose sur le raisonnement suivant. Les
épaisseurs typiques des couches de stratifié et pre-preg, par elles-mêmes, sont idéalement largement
suffisantes pour tenir des tensions de l’ordre du requis (1000V). Les problèmes arrivent quand il y a
des impuretés entre couches ou défauts qui peuvent localement sévèrement réduire la tenue du
diélectrique du stratifié ou du Pre-Preg. La méthodologie de fabrication préconisée et utilisé par
Systronic, grâce à la redondance d’isolement (stratifié + pre-Preg) minimise la probabilité qu’il y ait
deux défauts au même endroit sur le plan XY de la PCB. De cette manière-là un éventuel défaut du
Pre-Preg sera compensé par le stratifié et vice-versa.
Le fournisseur est demandé de contacter Systronic pour faire en sort que les PCBs demandées
soient fabriquées suivant la méthodologie décrite et connu par Systronic.
3.3. Capot blindage
Pour les modèles EM et FM, un capot de blindage EMC a été brasé sur les PCBs
Figure 4 : Capôt blindage modèle SM sur carte HT.
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Figure 5 : Plage d’acueil capot blindage modèle EM et SM sur carte HT.
Ce capot, la version utilisée pour les modèles EM (Engineering) et SM (Structural) consiste à 5
pièces de PCB en FR4 de 0.8mm d’épaisseur avec une face cuivrée. Les 5 pièces sont tenues entre
elles par moyen des fils (bouts de câble monobraid dénudé de 0.4mm de diamètre) soudées sur
chaque pièce. Voir Figure 4. A l’intérieur du capot un fil de colle EC-2216 a été mis entre les faces
pour renforcer la structure.
Les bouts de fil cuivre qui relient les faces entre elles dépassent du bas du capot, de manière qu’ils
sont utilisés comme « pattes traversantes » pour braser le capot sur la PCB. Bienentendu, le
positionnement des pattes se correspond au placement des « pads » traversants ou trous métallisés
sur la PCB.
Après brasage du capot sur la PCB, de la colle EC-2216 a été placé entre la PCB et le capot pour
renforcer l’ancrage.
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Figure 6 : Capôt blindage modèle SM et EM. Dimensions pièces. sur carte HT.
Cette solution artisanale a été validé mécaniquement (vibré) et elle est préconisée pour les FMs. Le
fournisseur est demandé de tenir compte des specs typiques des fournitures de vol, i.e.
 ajouter un trou au capot (pour dégazage)
 choisir un FR4 « spacialisable ».
D’autres solutions qui pourraient été envisagées et éventuellement proposés par le prestataire
sont (liste non exclusive):
 Capot métallique 100% : profil en cuivre monopièce coupé et plié
 Capot monopièce en Ultem avec couche de cuivre déposée dessus
Au cas où le prestataire ait des expériences de fabrication et montage de capots de blindage du type
demandé, si jamais ces solutions sont jugées plus avantageuses que la solution « artisanale » en
FR4, le prestataire est prié de les proposer pour qu’elles soient prises en compte.
Tout retour d’expérience du prestataire sera très apprécié.
Si, éventuellement, le prestataire propose une solution qui demande de modifier le layout de la
PCB, l’IRAP reste ouvert à le discuter et en fin s’adapter aux contraintes demandées.
En cas de rester sur la solution « artisanale », l’IRAP est responsable de fournir au prestataire les
plans détaillés du placement des pads (et donc pattes traversantes du capot) avant le début de la
fabrication, ainsi que la position souhaité du trou sur le capot.
3.4. Assemblage et câblage
Les PCBs sont montés par pairs (deux cartes) vissées sur un support fourni par l’IRAP.
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External. Layer 1.
Internal. Layer 4.
Internal. Layer 4.
External. Layer 1.
Figure 7 : Cartes HT sur son support. Connecteur inclus, fils absents sur le dessin.
7 fils AWG26 sortent de chaque carte HT et sont câblés sur un connecteur DB15HD.
3 fils AWG24 HT (isolant de 1.5mm de diamètre, Teledyne Reynolds 178-8066) sortent de chaque
PCB câblés vers une fenêtre prévue sur le support des PCBs (Figure 8).
Voir Figure 2 pour la position des sorties des fils des PCBs.
Fenêtre
fils HT
Connecteur
DB15HD
Figure 8 : Cartes HT sur son support. Connecteur DB15hd en vert.
Le connecteur DB15hd, les pins et l’outillage sont les suivants (fabricant C&K sauf pour le « crimp
tool »):



Connecteur Sub-D 15 HD (vol) : 3401002 02 B D E MA 15 P NMB
Pins
o Description : 340100507B
o Part number : 330-8998-101H
Vis de fixation hexagonal (clé allen). Niveau qualité ESA/ESCC
o Description : 340102265B NMB
o Part number : 115419-0100C
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 Crimp tool
o Tool Description : M22520/2-01
o Tool Part Number : 995-0001-584
o Locator Description : M22520/2-09
o Locator Part Number : 995-0001-734
 Outil d’insertion/extraction des pins/sockets (outil fourni avec les connecteurs de vol)
o Description : CIET-22D
o Part Number : 274-7048-000
Datasheet :
http://www.ck-components.com/35686/dsub_4feb.pdf/
Les connecteurs, pins, vis de fixation (avec le clip qui les tient sur la carcasse du connecteur) et
l’outil d’insertion/extraction sont fournis par l’IRAP. Le « Crimp tool » et le « locator » ne sont pas
fournis par l’IRAP.
Les fils qui passent entre les deux cartes seront fixés (collés, fixés à l’aide de frète…) par le
prestataire de manière qu’ils soient assez rigides pour tenir des vibrations. Voir Figure 9 pour un
exemple du passage de fils, avant coller, avant assembler les connecteurs et avec un frettage
incomplet et provisoire.
Figure 9 : Maquette de cartes HT. Passage de fils entre cartes. Fils bleu pour DB15HD, fils blancs pour HT.
Frettage leger provisoir.
La structure qui tient les deux PCBs est telle que la distance entre les faces intérieures des PCBs est
de 24mm
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Figure 10 : Distance entre les PCBs montées sur leur support. 24mm.
La longueur des fils doit être telle que le connecteur DB15HD reste dans la position décrite sur
Figure 11.
Figure 11 : HVPS connector and HV wires position and length refernece
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La distance 4.2mm est prise comme la projection sur le plain des PCBs de la distance entre le bord
de la PCB et la face extérieure du connecteur DB15HD câblé. (une tolérance de ±1mm est accepté
sur cette valeur). Cette position du connecteur doit être la naturelle sans forcer les fils, avec le
connecteur centré sur la fenêtre.
La longueur des fils HTs à partir du bord de la PCB est celle du tableau en dessous.
Les fils HTs doivent être frettés jusqu’au niveau du bord de la PCB. En dehors ils seront livres. Le
frettage à partir de ce point-là fait partie de l’assemblage de HTs dans l’instrument XGRE et est en
dehors de la prestation décrite dans ce document.
HV 2
HV 1
Signal
HV -800
HV -200
HV -100
HV -800
HV -200
HV -100
Wire length
(mm)
Texte étiquette
fil niveau cosse
TBD
TBD
TBD
TBD
TBD
TBD
HV1 800
HV1 200
HV1 100
HV2 800
HV2 200
HV2 100
Table 1: HV wires length
Les fils HT sont terminés par des cosses
 JST L1.25-3 (fournies par l’IRAP)
Il est demandé au prestataire d’étiqueter les fils HT décrits en (Table 1) avec les textes indiqués sur
le même tableau.
Ces étiquettes ont pour but d’aider et détromper lors des tests des cartes HT et lors de l’intégration à
l’instrument et elles vont être retirées en ce moment. Il est demande, alors, que ces étiquettes
soient :
 Lisibles
 Placés près de la cosse à la fin des fils HT.
 Suffisamment résistantes pour tenir des nombreux transports et tests des PCBs jusqu’à sa
intégration à l’instrument.
 Facilement retirables sans endommager le fil, ni la cosse, ni laisser des traces de colle ou
quoi que ce soit sur l’isolant des fils.
(par exemple, un papier et un bout de Scotch Kapton soigneusement placé devrait suffire comme
étiquette).
4. PLAN DE DEVELOPPEMENT ET PLANNING
La fabrication et validation des HT XGRE se déroulera suivant les étapes suivantes :
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XGRE







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Prestation Module 1, (section 5): Fabrication PCBs et capot de blindage
Prestation Module 2, (section 5): Câblage de composants, fils et connecteurs.
MIP CNES.
Tests électriques sur table et caractérisation électrique. Tests réalisés par l’IRAP sur les
fournitures issues du module 2.
Prestation Module 3, (section 5): Frettage, vernissage, montage câblage capot de blindage
(brasage et collage) et assemblage sur support
Tests électriques fonctionnels faits à l’IRAP.
Livraison des fournitures HT pour AIV senseur.
Le tableau dessous montre le planning prévu pour les activités de réalisation et validation des
électroniques HT XGRE.
Num
jalon
Module Activité
1
Début
1 Fabrication PCB + capots metallique
2
2 Câblage 4 cartes
3
4
5
6
7
8
9
MIP 1 CNES (1er group de 4 PCBs)
2 Câblage 4 cartes
MIP 2 CNES (2em group de 4 PCBs)
Tests IRAP 2 cartes (lot 1)
Tests IRAP 2 cartes (lot 2)
Tests IRAP 2 cartes (lot 3)
Tests IRAP 2 cartes (lot 4)
10
3 Vernissage, câblage capot metallique, assemblage.
11
12
13
14
15
16
17
18
Cyclage thermique et test IRAP (lot 1)
3 Vernissage, câblage capot metallique, assemblage.
Cyclage thermique et test IRAP (lot 2)
3 Vernissage, câblage capot metallique, assemblage.
Cyclage thermique et test IRAP (lot 3)
3 Vernissage, câblage capot metallique, assemblage.
Cyclage thermique et test IRAP (lot 4)
3 Doc 8 cartes
delay Predec T fin
Date fin
Apports IRAP
(jours) esseur tache tache
0
0 22/05/2014
49
0
49 10/07/2014 Gerber
Composants, fils, connecteurs, pins,
28
1
77 07/08/2014
cosses, BOM, outillage, boitiers.
2
77 07/08/2014
14
2
91 21/08/2014
4
91 21/08/2014
21
2
98 28/08/2014
7
6
105 04/09/2014
7
7
112 11/09/2014
7
8
119 18/09/2014
Supports metalliques, 2 PCBs
14
6
112 11/09/2014
testées (lot 1 testé).
7
10
119 18/09/2014
14
5
105 04/09/2014 2 PCBs testées (lot 2 testé)
7
12
112 11/09/2014
14
8
126 25/09/2014 2 PCBs testées (lot 3 testé)
7
14
133 02/10/2014
14
9
133 02/10/2014 2 PCBs testées (lot 4 testé)
7
16
140 09/10/2014
14
16
147 16/10/2014
Table 2: Planning. Lignes vertes correspondent aux prestations demandées dans ce document.
Les lignes vertes correspondent aux prestations demandées dans ce document. Les colones :
 Module : Pour les lignes correspondantes à une prestation demandée, cette colonne indique
le numéro du module de prestation demandé, tels qu’ils sont décrits en section 5.
 Activité : Bref descriptif de l’activité.
 Delay (jours) : Durée prévu de l’activité en jours naturels (weekends inclus, semaines de 7
jours)
 Predecesseur : Numéro de jalon (ou activité) à partir de la fin duquel l’activité peut
commencer.
 T fin de tache : Temps de la fin de l’activité, en numéro de jours naturels à partir du jour du
commencement (ligne 0 du tableau). Autrement dit, delay accumulatif en jours naturels.
 Date fin tache ; = Date fin tache(ligne 0) + Tfin tache.
 Apports IRAP : Fournitures que l’IRAP doit apporter pour que cette activité puisse être
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commencée par le prestataire
La date du commencement de la fabrication, 22/05/2014, correspond à la dernière mise à jour du
planning du projet TARANIS-XGRE. L’IRAP se réserve le droit de pousser cette date si besoin du
projet.
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5. PRESTATIONS SOUHAITES
Les prestations souhaitées correspondantes à la fourniture HT décrite en section 3 sont les
suivantes :
Module
Description
Inputs
/Outputs
IRAP/fournisseur)
1
Fabrication
PCBs
et
capots
de
blindage.
Fabrication
des
cartes
de
vol
suivant les normes
ESA/CNES
correspondantes.

2
Câblage de
composants
et harnais
de test.
Câblage
des
composants et fils
sur les cartes de vol
suivant
les
procédures
ESA/CNES
correspondantes.
3
Vernissage,
assemblage
capot
blindage,
frettage fils
et
assemblage.
Frettag des fils,
vernissage,
assemblage capot
blindage sur PCB,
montage
de
l’ensemble
sur
support.
(fourniture Date
initiale
prévue
Quantité
Inputs
o Fichiers gerber des cartes
HT.
 Outputs
o PCBs de vol nues.
o Capots de blindage
 Inputs
o PCBs de vol issus du
module 1.
o Composants
(ANNEXE
A) fournis par l’IRAP.
o Fils, cosses, connecteurs
et pins.
o BOM + notes de câblage.
o «Pinout» connecteur/PCB
o Outillage + boitiers (si
demandé par prestataire).
 Outputs
o PCBs de vol câblés avec
connecteur et fils, dans
boitier sur outillage..
10 PCBs
8 capots
de
blindage

4
fournitur
es HT
vol
Inputs
o PCBs avec composants
câblés issue du module 2.
o Support
mécanique
(IRAP)
o Capot
blindage
(prestataire)
 Outputs
o Ensembles montés de 2
PCBs + connecteur +
support.
Prêts
pour
assemblage instrument.
4
ensembl
es de 2
cartes +
harnais.
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5.1. Détail Module 1
2 PCBs de plus sont demandées qui normalement vont rester nues à la fin des prestations. Ces deux
exemplaires peuvent rester chez le prestataire ou même chez le fabricant des PCBs sauf si s’ils sont
explicitement demandés par l’IRAP.
L’une des deux PCBs nues peut éventuellement (si le prestataire le croit convenaient) être utilisée
comme outillage pour le développement et fabrication des capots de blindage, et pour vérifier son
empreinte sur les PCBs.
La date de besoin des capots de blindage fabriqués est en début de la prestation Module 3.
5.2. Détail Module 2
Les longueurs des fils câblés doivent permettre un correct assemblage des PCBs sur son support.
Specs de câblage de fils décrites en détail en 3.4.
Des tests électriques à l’IRAP sont prévus entre les prestations module 2 et 3, ce qui fait que en
issue du module 2 les fils câblés au connecteur et cosses seront à la bonne longueur mais pas encore
frettés.
Figure 12 : EM illustratif du câblage du connecteur en sortie du Module 2. Fils bonne longueur, frettage et
collage pas faits.
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Les collages demandés dans ce module sont les suivants:
Figure 13 : Collages en module 2. Bobines self, sorties de fils et noyaux de transformateur sur châssis en
plastique (bobbin).
1. Collage noyaux des transformateurs au chassis des transformateurs. Deux points de
colle.
2. Collage des fils soudés et routées à travers la PCB. Fils HT et fils DB15hd compris
3. Collage bobines à noyau torique sur PCB.
L’IRAP prévoit se servir d’un boitier
 Rose 04162408 (RS ref : 420-2424)
Pour transporter chaque lot de deux PCBs et fils, à l’aide d’un outillage comme celui décrit en bas.
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PCBs XGRE HT FM
XGRE
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Figure 14 : Outillage de transport et support de test de lot de 2 PCBs. Fourniture IRAP disponible par le
prestataire si souhaité.
Ce même outillage sera utilisé pendant les tests électriques à l’IRAP comme support des PCBs
pendant les tests. L’IRAP peut fournir cet outillage au prestataire si celui-ci croit que cela peut être
outil lors du câblage des composants, de manière que les outillages et les PCBs soient ensemble lors
des déplacements IRAP-prestataire. Des entretoises M3 sont prévues pour tenir les PCBs sur
l’outillage et des M4 pour tenir l’outillage sur une table ou dans le boitier.
Les PCBs cablées en sortie de ce module vont passer une inspection (MIP, Mandatory Inspection
Point) du CNES.
5.3. Détail Module 3
Un dessin des fournitures issues de ce module est montré en Figure 7. Les fils et les composants sur
les cartes sont absents dans le dessin.
Les activités demandées dans ce module incluent :
 Vernissage PCBs sauf trous fixation et plage accueil capot blindage (indiquée en dessous) :
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Figure 15 : épargnes vernissage en bleu : points de fixation et profil d’accueil capot blindage.
 Brasage capot blindage.
 Collage capot blindage.
 Frettage fils qui passent entre les PCBs de manière que l’ensemble des fils soit suffisamment
rigide pour tenir des vibrations. Si le frettage ne suffit pas, le prestataire est demandé de
renforcer la structure des fils à son critère (à discuter avec IRAP le cas échéant).
 Assemblage PCBs sur support Figure 7.
6. REPONSE A L’APPEL D’OFFRE
Le sous-traitant devra justifier d’un agrément de savoir-faire (CNES ou agence spatiale) pour la
réalisation des activités reliés aux prestations souhaités. Les matériaux et procédés utilisés devront
être certifiés "Agence".
Les offre de prix devront inclure, au moins :
 Prix par module (tels qu’ils sont décrits en section 5).
 Le prix de fabrication des capots de blindage (inclue en module 1) devra être présenté dans
une ligne indépendante. Si le prestataire souhaite proposer d’autres solutions pour le capot
de blindage (autre que la solution « artisanale ») il est demandée que le prix de cette
fabrication soit clairement séparé de celui de l’ensemble de la prestation « Module 1 ».
 Si le planning demandé par l’IRAP n’est pas clair ou il est jugé pas réaliste ou faisable par le
prestataire, cela devrait être expliqué et quantifié dans l’offre.
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ANNEXE A.
LISTE DE COMPOSANTS
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