Leiterplatten in rauer Umgebung: Welche Vorsichtsmaßnahmen sind zu treffen?

Einige Kategorien elektronischer Geräte müssen unter besonders schweren Bedingungen wie Salzsprühnebel, Salz, Staub, Sand oder extremen Temperaturen betrieben werden. Um sicherzustellen, dass die elektronische Schaltung unter normalen Bedingungen weiter funktioniert, muss die Leiterplatte so ausgelegt sein, dass sie diesen Ereignissen standhält, ohne beschädigt zu werden.

Die Leiterplatten, die beispielsweise in der Automobilindustrie, der Industrie oder Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden, sind kontinuierlich Vibrationen, mechanischen Belastungen, Stößen, sehr hohen thermischen Ausschlägen und mehr ausgesetzt. Abgesehen von einigen Klassen elektromedizinischer Geräte arbeiten nur wenige elektronische Geräte in Umgebungen, die frei von Staub, Vibrationen, Feuchtigkeit und streng kontrollierten Temperaturen sind. In Wirklichkeit ist es notwendig, sich mit folgenden Themen zu befassen:

• Vibrationen und mechanische Belastungen
• extreme Druckschwankungen (damit verbundene Höhenunterschiede)
• extreme Temperaturschwankungen
• Staub, Fett oder andere chemische Substanzen
• Feuchtigkeit
• ionisierende Strahlungen
• elektromagnetische Interferenzen, sowohl abgestrahlt als auch geleitet
• elektrostatische Entladungen und Spannungs-/Stromtransienten.

Herausforderungen, denen wir uns stellen müssen

Die wichtigsten Herausforderungen, denen Leiterplatten in rauen Umgebungen gegenüberstehen, können wie folgt zusammengefasst werden:

• Feuchtigkeit, Staub und Schmutz: Um diesen Umweltfaktoren entgegenzuwirken, ist es oft notwendig, die Leiterplatte mit einem speziellen Verfahren, der sogenannten konformen Beschichtung, zu behandeln. Damit wird die Leiterplatte nach dem Montageprozess mit einer dünnen Schicht aus nicht leitfähigem Schutzmaterial wie Silizium, Acryl, Urethan oder p-Xylol abgedeckt. Die Beschichtung ermöglicht die Verlängerung der Lebensdauer des elektronischen Schaltkreises, indem sie ihn vor externen Verunreinigungen schützt.
  
• Hohe Temperaturen: Wenn die Leiterplatte kontinuierlich bei Temperaturen über dem Standard arbeiten muss, ist es besser, Schichten mit dickerem Kupfer (schweres Kupfer) zu verwenden. Kupferdicken von mehr als 915 g/m² werden in der Regel mit dem Auftragen der konformen Beschichtung kombiniert, um der Platine einen hohen Schutz bei unterbrechungsfreiem Betrieb bei hohen Temperaturen zu bieten. Die Verwendung von Schichten mit einer höheren Glasübergangstemperatur (TG), wie FR-4 TG140 oder TG170, bietet der Leiterplatte zusätzlichen Schutz vor Temperaturen.
  
• Ionisierende Strahlung: Leiterplatten für die Luft- und Raumfahrt werden mit Partikeln verschiedener Art bombardiert, zusätzlich zur elektromagnetischen Strahlung, die von der Sonne und anderen Himmelskörpern erzeugt wird. Diese Strahlung kann zu vorübergehenden Störungen (z. B. Bitflip oder Speicherlöschung) oder dauerhaften Schäden an Komponenten führen.
  
• Stöße und Vibrationen, insbesondere in der Automobil- und Luft- und Raumfahrt
  
• Korrosion: Dies ist einer der Hauptfallstricke für jedes Metallteil. Korrosion tritt auf, wenn Sauerstoff und Metall über einen Prozess, der als Oxidation bezeichnet wird, miteinander verbunden werden. Dadurch entsteht Rost und das Metall verliert seine chemischen Eigenschaften und zersetzt sich im Laufe der Zeit. Da Leiterplatten eine hohe Metallmenge enthalten, sind sie bei Kontakt mit Sauerstoff korrosionsgefährdet.

Konforme Beschichtung

Um Schäden durch atmosphärische Agenzien zu vermeiden, wird nach dem Zusammenbau eine nicht leitende Schutzschicht, die sogenannte konforme Beschichtung, auf die Leiterplatte aufgetragen (Abbildung 1). Dies wird häufig auf Leiterplatten für Verbraucher, Instrumente und Mobilgeräte angewendet, wo es üblich ist, in Gegenwart von Feuchtigkeit, Staub oder anderen rauen Umweltfaktoren zu arbeiten. Die auf die Leiterplatte aufgebrachte Schutzschicht ermöglicht es, dass die in den Leiterplattenschichten vorhandene Feuchtigkeit nach außen fließt, während externe Substanzen die Platine und ihre Komponenten nicht erreichen und ihren Betrieb beeinträchtigen. Die konforme Beschichtung erhöht nicht nur die Zuverlässigkeit, sondern verlängert auch die Lebensdauer des Schaltkreises.

Abbildung 1: Aufbringen der konformen Beschichtung

Die häufigsten Arten von konformer Beschichtung sind Silikon, Acrylharz, Polyurethan und p‑Xylol, die jeweils ein bestimmtes Schutzniveau bieten können. Silikon kann beispielsweise den größten Temperaturbereich abdecken und ist daher die beste Wahl für Anwendungen mit extremen Temperaturen. Andererseits weist Silikon auf einige Substrattypen eine schlechte Haftkraft und eine geringere chemische Beständigkeit als Acrylharz auf. Letzteres ist aufgrund seiner starren Struktur nicht besonders bei Stößen und Vibrationen geeignet. Polyurethane bieten eine hohe Beständigkeit gegen Feuchtigkeit, Abrieb und Vibrationen, halten niedrigen Temperaturen gut stand, aber hohen Temperaturen nicht. Daraus folgt, dass sie hauptsächlich in Anwendungen mit Temperaturen von -40 bis +120 °C eingesetzt werden. Bei p‑Xylol handelt es ich um ein konsistentes Material, das einen hohen Schutz bietet, aber teuer ist und empfindlich auf Verunreinigungen reagiert und im Vakuum aufgebracht werden muss.

Bei der Anwendung der Leiterplattenkonformbeschichtung können vier Techniken eingesetzt werden: eintauchen, automatisierte selektive Beschichtung, Sprühen und Bürsten. Jede dieser Alternativen erreicht dasselbe Ziel: die Leiterplatte einschließlich der scharfen Kanten und aller Kanten der Platine vollständig abzudecken. Nach dem Auftragen wird die konforme Beschichtung durch Lufttrocknung, Ofentrocknung oder UV-Licht ausgehärtet.

Hohe Temperaturen

Die zunehmende Bauteildichte auf der Leiterplatte führt zu einem unvermeidlichen Anstieg der Betriebstemperaturen. Eine Bedingung, die langfristig die Integrität der Schweißnähte oder Schichten selbst durch die Ausdehnung und Kontraktion von Materialien mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften beeinträchtigen kann. Eine Hochtemperaturleiterplatte sollte daher ein Dielektrikum mit einer Glasübergangstemperatur (TG) von mindestens 170 °C verwenden. Eine normalerweise angewendete Regel lautet, Betriebstemperaturen von bis zu 25 °C unter dem TG-Wert des verwendeten Materials zu erlauben. Neben der Materialauswahl kann die hohe Temperatur der Leiterplatte durch Ableiten der erzeugten Wärme und Übertragung auf andere Bereiche der Leiterplatte gesteuert werden. Wenn die heiße Komponente auf der Oberseite der Leiterplatte montiert ist und eine ausreichend große Oberfläche aufweist, kann ein Wärmeableiter darauf installiert werden, der die Wärme zuerst durch Leitung (vom Bauteil zum Kühlkörper) und dann durch Konvektion ableiten kann (von den Oberflächen des Kühlkörpers an die umgebende, kältere Luft).

Wenn die heiße Komponente auf der Unterseite der Leiterplatte montiert und es nicht möglich ist, einen Wärmeableiter zu montieren, besteht die normalerweise von Designern eingesetzte Technik darin, eine große Anzahl von thermischen Bahnen auf der Leiterplatte einzufügen, um die Wärme von der heiße Komponente auf eine Schicht aus Kupfer auf der Oberseite der Leiterplatte zu übertragen, von wo aus sie weiter auf einen geeigneten Wärmeableiter übertragen werden kann. Typischerweise sind auf Leiterplatten montierte Wärmeableiter groß, mit gerippten oder gewellten Oberflächen, um die Verlustfläche zu erhöhen. Im Vergleich zur natürlichen Konvektionskühlung können Lüfter hinzugefügt werden, um die forcierte Konvektionskühlung zu verbessern.

Eine der traditionell eingesetzten Methoden, um den durch hohe Temperaturen erzeugten Effekten entgegenzuwirken, ist die Verwendung schwerer Kupfertechnologie. Dies erhöht den maximalen Strom, den die Leiterbahnen tragen können, und reduziert aufgrund des geringeren Widerstands die Wärmeverluste.

Strahlenschutzmaßnahmen

Für langfristige Weltraummissionen besteht die einzige verfügbare Option darin, strahlungsgehärtete Komponenten zu verwenden. Diese Komponenten sind viel seltener und damit teurer als Standardkomponenten. Für kurzfristige Weltraummissionen (bis zu einem Jahr) kann die Verwendung handelsüblicher Standardkomponenten erlaubt werden, vorbehaltlich der Analyse und Verifizierung ihrer Fähigkeit, Strahlung zu widerstehen. Auf diese Weise können Sie Designkosten von Weltraumausrüstung reduzieren und die Auswahl der für die Konstruktion verfügbaren Komponenten erhöhen. Durch die Anwendung verschiedener Hardwaredesigntechniken kann den durch Strahlung erzeugten Effekten entgegengewirkt werden. Auf Leiterplattendesignebene ist es beispielsweise wichtig, eine ausreichende Erdung aller Metallteile sicherzustellen.

Mechanischer Schutz und Korrosion

Um Schutz vor Stößen und Vibrationen zu bieten, kann die Leiterplatte in einem Behälter installiert werden, in den Harz gegossen wird, um sie vollständig zu verkapseln. Je höher die Harzschicht, desto besser ist der Schutzgrad. Sofern nicht alle Komponenten auf der Leiterplatte eine einheitliche Höhe aufweisen, variiert die Dicke der Harzschicht jedoch auf der gesamten Platine, was für jede Komponente einen leicht unterschiedlichen Schutz bietet. Die dünnste Harzschicht entspricht daher im schlimmsten Fall dem Schutzniveau, das auf der gesamten Platte geboten wird. Bevor überhaupt eine Harzverkapselung in Betracht gezogen wird, muss die Leiterplatte gründlich gereinigt werden. Oberflächenkontamination kann sich negativ auf den durch die Verkapselung gebotenen Schutz auswirken, insbesondere in Fällen chemischer Beständigkeit (das sie einen leichteren Zugang für Chemikalien bietet). Darüber hinaus wirken sich Verunreinigungen negativ auf die Fähigkeit des Harzes aus, physikalische und thermische Einwirkungen zu absorbieren, da sich zwischen dem Harz und der Leiterplatte nur schwache Schichten bilden, was letztendlich zur Delaminierung führt. Die Reinigung und Trocknung der Leiterplatte gewährleistet zudem einen Schutz vor Rost und ionischer Kontamination. Korrosion kann sowohl durch das Auftragen der konformen Beschichtung als auch durch Oberflächenbeschichtungen wie HASL (die Leiterplatte wird in eine Legierung aus Zinn und verflüssigtem Blei getaucht und anschließend werden die Legierungsablagerungen mit Heißluftstrahlen ausgeglichen) und ENIG (Goldtauchen) vermieden werden. Abbildung 2 zeigt eine Detailansicht einer Leiterplatte mit ENIG-Oberflächenbehandlung.

Abbildung 2: Leiterplatte mit ENIG-Oberflächenbehandlung