Für Luft- und Raumfahrt sowie Militäranwendungen konzipierte Leiterplatten, müssen ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Robustheit aufweisen und müssen dabei absolut fehlerfrei sein. Anspruchsvolle Anwendungen, wie z. B. Weltraummissionen, erfordern ein präzises Verständnis dafür, wie gedruckte Schaltungen entworfen und erstellt werden müssen, um eine sehr lange Betriebsdauer unter oft sehr extremen Betriebsbedingungen zu gewährleisten. Im Gegensatz zu den meisten herkömmlichen Leiterplatten sind Leiterplatten, die in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden, extremen Umweltbedingungen, Strahlung, Chemikalien, Verunreinigungen und vielem mehr ausgesetzt.
Infolgedessen müssen diese Schaltungen sehr strenge Normen erfüllen, wie z. B. die IPC-A-610E Klasse 3, die sich auf elektronische Hochleistungsgeräte bezieht, deren Betrieb auch unter schwierigsten und kritischen Betriebsbedingungen kontinuierlich und ohne Unterbrechung gewährleistet sein muss. Einige der wichtigsten Anwendungen, die in den Anwendungsbereich der IPC-A-610E Klasse 3 Norm fallen, sind die folgenden:
Schaltkreise für die Luft- und Raumfahrt sind extremen Temperaturen ausgesetzt und müssen Stöße und Vibrationen von erheblicher Intensität aushalten und absorbieren können. Darüber hinaus haben teilen sie viele Gemeinsamkeiten mit Leiterplatten für HF-Hochfrequenzanwendungen, wenn man bedenkt, dass die Funkkommunikation im HF-Band (oder höher) eine grundlegende Voraussetzung für diese Systeme ist. Durch den Betrieb in großen Höhen steigt auch das Strahlungsrisiko, weshalb die Leiterplatten (sowie die verwendeten elektronischen Komponenten) so konstruiert sein müssen, dass sie hohe Strahlungswerte lange Zeit unbeschadet überstehen können.
In den nächsten Abschnitten werden einige der gängigsten Richtlinien und Empfehlungen vorgestellt, um den Designer bei der heiklen, aber auch lohnenden und befriedigenden Aufgabe des Leiterplattendesigns für die Luft- und Raumfahrt zu unterstützen.
In der Luft- und Raumfahrt sind Zuverlässigkeit und Langlebigkeit zwei Anforderungen, die absolute Priorität genießen. Bei dieser Art von Anwendungen müssen die Schaltkreise über lange Zeiträume (in der Regel von mindestens 5 Jahren bis zu 15 Jahren oder mehr) kontinuierlich und störungsfrei arbeiten, da Wartungseingriffe nicht möglich oder mit exorbitanten Kosten verbunden sind. Generell gilt, dass hochwertige Materialien und Komponenten eingesetzt werden müssen, die eine lange Marktverfügbarkeit aufweisen.
Eine sehr verbreitete Alternative zu Kupfer stellt eloxiertes Aluminium dar, das in der Lage ist, viele der Probleme im Zusammenhang mit der Wärmeableitung zu lösen. Tatsächlich bietet eloxiertes Aluminium eine 5 bis 10 Mal höhere Wärmeleitfähigkeit als herkömmliche Materialien wie FR-4, bei einer zehn Mal geringeren Dicke. Darüber hinaus ist es in der Lage, Wärme exponentiell effizienter zu übertragen als eine herkömmliche Leiterplatte und minimiert die Auswirkungen der hitzebedingten Oxidation.
Die Schwerkupfer-Technologie mit Kupferstärken von 2 bis 6 oz/ft2 (oder mehr) ermöglicht eine natürliche Wärmeableitung, ohne dass zusätzliche Kühlsysteme erforderlich sind, selbst in Gegenwart von Strömen mit hoher Intensität. Viele Hersteller schlagen vor, Schwerkupfer-Lösungen mit der Einbeziehung zahlreicher thermischer Durchkontaktierungen zu kombinieren, um die Wärmeableitung weiter zu verbessern. Abbildung 1 zeigt das Detail einer mehrlagigen-Leiterplatte mit Schwerkupferschicht.
Abbildung 1: Leiterplatte mit Schwerkupferschicht.
Leiterplatten für die Luft- und Raumfahrtindustrie müssen mit minimaler Wartung arbeiten und strenge Sicherheits- und Qualitätsnormen erfüllen. Aus diesem Grund müssen Designer und Hersteller von Leiterplatten für Luft- und Raumfahrtanwendungen eine bestimmte Reihe von Referenznormen befolgen. Zu diesen Referenznormen zählt die IPC 6012DS, eine Ergänzung der Norm IPC-6012D, die Qualifikations- und Leistungsanforderungen für starre Leiterplatten für Luft- und Raumfahrt und militärische Anwendungen bereitstellt. Diese Norm kann als eine erweiterte Version der IPC-Norm der Klasse 3 betrachtet werden.
Außerordentlich wichtig ist auch die Luft- und Raumfahrtnorm AS/EN 9100, die eine Reihe von Normen enthält, die von der IAQG (International Aerospace Quality Group) für das Qualitäts- und Risikomanagement im Luft- und Raumfahrtsektor entwickelt wurden. Diese Norm ist international anerkannt und repräsentiert das Qualitätsmanagementsystem für die Luft- und Raumfahrtindustrie. Im Vergleich zur Norm ISO9001, mit der sie viele Gemeinsamkeiten aufweist, führt die Norm AS/EN 9100 zusätzliche Anforderungen ein, die speziell für den Kontext der Luft- und Raumfahrt entwickelt wurden. Leiterplatten, die für diese Art von Anwendung entwickelt wurden, müssen der Norm entsprechen und von einer Zertifizierung begleitet werden, die die Qualität des Herstellungsprozesses bescheinigt.
Wie bereits erwähnt, müssen Leiterplatten für die Luft- und Raumfahrt eine hervorragende Wärmeableitung gewährleisten, ohne dass externe Kühlkörper verwendet werden müssen. Neben der Dickkupfertechnik und dem großflächigen Einsatz von thermischen Durchkontaktierungen können auch Sonderlösungen auf Basis von Materialien wie Pyralux AP, FR408 und anderen metallischen Werkstoffen und Komponenten eingesetzt werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Leiterplatten ist es außerdem vorteilhaft, den Abstand zwischen den Bauteilen zu vergrößern, die dadurch ein größeres Raumvolumen für die Wärmeabfuhr haben können.
Die Materialien zur Leiterplattenveredelung müssen so gewählt werden, dass sie den extremen Betriebsbedingungen standhalten. Zu den wichtigsten konformen Beschichtungsverfahren gehören elektrolytisches Nickel-Gold, ENIG (Chemisch Nickel mit Tauchgoldbeschichtung), chemisches Silber, HASL (Hot Air Solder Leveling) und bleifreies HASL. Die Anwendung der konformen Beschichtung bietet Schutz gegen Hitze, Feuchtigkeit, Wasser und Vibrationen, alles Bedingungen, die in der Luft- und Raumfahrt vorkommen können. Nach der Konformitätsbeschichtung muss ebenfalls ein Spray auf Acrylbasis zum Schutz der fertigen Leiterplatte vor Verunreinigungen oder versehentlichen Kurzschlüssen aufgetragen werden. Abbildung 2 zeigt das Detail einer Leiterplatte mit HASL-konformer Beschichtung.
Abbildung 2: Leiterplatte mit HASL-konformer Beschichtung.
Die Größe der Leiterbahnen auf der Platine muss so gewählt werden, dass die maximale Strombelastung bewältigt werden kann und eine hervorragende Wärmeableitung unter allen Betriebsbedingungen gewährleistet wird. Wie in Schaltungen mit hochfrequenten Signalen üblich, müssen die Winkel auf den Leiterbahnen weniger als 45° betragen, was die gleichmäßige und regelmäßige Übertragung des Signals in der gesamten Schaltung begünstigt. Elektronische Komponenten, die mit niedrigen Frequenzen arbeiten, müssen von Hochfrequenzkomponenten separiert werden. Letztere können nämlich Wellenformen und Störungen erzeugen, die den Betrieb von Niederfrequenzkomponenten beeinträchtigen können. Die Wellenformen und das Rauschen führen zu einer Verschlechterung der Signalqualität, wodurch die Signalintegrität beeinträchtigt wird, was eine zwingende Voraussetzung für diese Anwendungen ist. Die Taktsignale müssen mit einer geeigneten physikalischen Abschirmung versehen werden, die während der Konstruktionsphase durch das Aufbringen von Gehäusen aus Aluminium oder ähnlichen Materialien geschaffen wird. Wie bei jeder HF-Leiterplatte müssen auch hier die Regeln zur Reduzierung bzw. Begrenzung der Übersprechphänomene zwischen benachbarten Leiterbahnen angewendet werden.
Flexible (Abbildung 3) und Starrflex-Leiterplatten sind in Satelliten- und Avioniksystemen weit verbreitet, mit dem Unterschied, dass sie im Vergleich zu industriellen oder automobilen Anwendungen überwiegend mit Polyamid statt FR-4 gefertigt werden. Dieses Material kann sich leicht an kleine Baumaße anpassen, ist sehr leicht und beständig gegen Hitze und Chemikalien und garantiert eine hohe Lebensdauer.
Abbildung 3: Flexible Leiterplatte (Quelle: Altium).
Flex- und Starrflex-Leiterplatten sind aufgrund ihrer Anpassungsfähigkeit an kleine Baumaße, ihrer hohen Beständigkeit gegen Vibrationen, Stöße, Temperatur und äußere Einflüsse, ihrer hervorragenden mechanischen und elektrischen Verbindung und ihres geringen Gewichts weit verbreitet. Starrflex-Leiterplatten bestehen aus einer Kombination von starren und flexiblen Leiterplatten, die fest miteinander verbunden sind. Der ordnungsgemäße Einsatz von Flex- und Starrflex-Leiterplatten bietet eine optimale Lösung für schwierige und räumlich begrenzte Anwendungen. Diese Technologie bietet eine sichere Verbindung zwischen den verschiedenen Teilen der Schaltung und gewährleistet sowohl Polarität als auch Kontaktstabilität und reduziert die Anzahl der Steckverbinder.
Gedruckte Schaltungen für den Luft- und Raumfahrtsektor und ganz allgemein alle elektronischen Schaltungen, die der Norm IPC-A-610 Klasse 3 und 3A entsprechen müssen, müssen von Anfang an mit dem Ziel entwickelt werden, eine hohe elektrische Zuverlässigkeit zu erzielen, insbesondere unter schwierigsten und unkonventionellen Betriebsbedingungen. Das Leiterplattendesign, beginnend mit der Auswahl der am besten geeigneten Materialien, um extremen Umweltbedingungen bei dauerhaftem störungsfreiem Betrieb standzuhalten, stellt eine außerordentlich anspruchsvolle Herausforderung für jeden Elektronikdesigner dar. In diesem Artikel wurden einige nützliche Richtlinien vorgestellt, um die Problematik besser zu verstehen und einen Bezugspunkt für das Design von Leiterplatten für Luft- und Raumfahrtanwendungen zu schaffen.