Entwerfen von Elektronik, die Druck aushält

Suresh Patel | 22. Februar 2023

Elektronische Produkte müssen zuverlässig und langlebig sein, insbesondere wenn sie für den Betrieb in rauen Umgebungen ausgelegt sind. Der Bau von Leiterplatten (PCBs) für den effizienten Betrieb unter extremen Umgebungsbedingungen wie hohen Temperaturen, Feuchtigkeit, Vibrationen und Druck ist eine große Herausforderung. Es gibt mehrere Industriestandards zur Validierung des PCB-Designs und des Einsatzes für kritische Anwendungen wie Automobile, Militär, Luft- und Raumfahrt und Unterwasserelektronik.

Extreme Temperaturen wirken sich nicht nur auf Leiterplattenmaterialien aus, sondern auch auf die Geometrie der Leiterplattenbaugruppe. Ein Druckunterschied kann zu einer physischen Belastung elektronischer Produkte führen. Feuchtigkeit in der Arbeitsatmosphäre kann die Leiterplattenbaugruppe korrodieren und das gesamte elektronische Gerät zerstören. Vibrationsermüdung in Automobilanwendungen ist für Leiterplattenhersteller ein ernstes Problem.

Bei drucktoleranter Elektronik sollte das Gehäuse so ausgelegt sein, dass es sehr hohen oder kalten Temperaturen, ständiger Bewegung, Vibration und Druck standhält. Beim PCB-Design sollten Komponenten und Materialien verwendet werden, die für den Betrieb unter extremen Bedingungen ausgelegt sind. Die Erfüllung der Anforderungen und Akzeptanzstandards robuster Elektronik gewährleistet eine gleichbleibende Produktleistung. Der Bau von Elektronik für raue Umgebungen erfordert eine optimale Konvergenz von PCB-Design, Montage und Testprozessen.

Ein detailliertes Verständnis der Betriebsumgebung des Produkts ist der erste Schritt beim Aufbau robuster Elektronik. PCBs können verschiedenen Bedingungen ausgesetzt sein:

Basierend auf der jeweiligen Arbeitsumgebung müssen PCB-Designer die notwendigen Informationen wie den Produkteinsatzort und die damit verbundenen Umgebungsparameter erfassen, wie zum Beispiel:

Extreme Umgebungen können die Leistung und Lebensdauer elektronischer Geräte erheblich reduzieren. Sofern das Produkt nicht für raue Bedingungen ausgelegt ist, kann die extreme Temperatur dazu führen, dass sich die PCB-Schichten zusammen mit den Kupferleitern zufällig ausdehnen. Unterschiedliche Temperaturen wirken sich auch auf die Lötstellen und damit auf die Signalverbindung aus. Komponenten der Leiterplattenbestückung wie Transistoren, ICs und diskrete Teile (Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten usw.) weisen von der Betriebstemperatur abhängige Parameter auf, die sich auf die Funktionalität der Schaltung auswirken können. Durch hohe Temperaturen kann das Leiterplattenmaterial in das Gehäuse ausgasen und dort Korrosion verursachen.

Druck und Vibrationen können dazu führen, dass das Außengehäuse explodiert und die elektronischen Schaltkreise der Außenumgebung ausgesetzt werden. Jeder Druckunterschied kann Auswirkungen auf die Leiterplatte und ihre Komponenten haben. Es kann PCB-Material schnell in die Umgebung diffundieren. Während des Chipherstellungsprozesses können im Inneren der Komponenten Hohlräume entstehen, die mit Luft gefüllt werden. Solche auf Leiterplatten montierten Komponenten können bei jeder Druckdifferenz zerbrechen und einen Komponenten- und Produktausfall auslösen.

Feuchtigkeit oder Staub auf der Leiterplatte können zu elektrischen Störungen wie Signaldämpfungen führen. Übermäßige Luftfeuchtigkeit kann die Leiterplatte korrodieren. Es kann zu Kurzschlüssen kommen, die im Extremfall zu Brandgefahr führen können. Überspannungen durch Gewitter oder elektrostatische Entladungen (ESD) können das elektronische Produkt vollständig beschädigen. Übermäßige elektromagnetische Störungen durch umliegende Geräte oder Arbeitseinrichtungen können die Leistung des Boards beeinträchtigen.

Das Substratmaterial und die Kupferfolie sollten entsprechend der Arbeitsumgebung des elektronischen Produkts ausgewählt werden.

Polyimid- und Rogers-Materialien (Kohlenwasserstoff-Keramiklaminate) sind für extrem hohe Temperaturen geeignet. Empfohlen werden Aluminium für kryogene Temperaturen und FR4 (flammhemmendes PCB-Material) für Anwendungen bei niedrigen Temperaturen. In einer Umgebung mit hoher Luftfeuchtigkeit sind FR4- oder LTCC-Materialien (Low Temperature Cofired Ceramics) die bessere Wahl. Polyimid und Polytetrafluorethylen (PTFE) sind Beispiele für korrosionsbeständige Leiterplattenmaterialien und eignen sich für feuchte Umgebungen.

Es ist erforderlich, die Dielektrizitätskonstante (DK) verschiedener Substrate und Kerne im Leiterplattenaufbau anzupassen. Außerdem sollte der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) benachbarter Substrate übereinstimmen, um unter rauen Bedingungen eine gleichmäßige Ausdehnung oder Kontraktion der PCB-Schichten zu gewährleisten.

Die Auswahl der Komponenten ist bei der Entwicklung drucktoleranter Elektronik von entscheidender Bedeutung. Die interne Struktur und Konstruktion von passiven Bauteilen, ICs und anderen elektronischen Teilen kann die Leistung der Platine unter Druck erheblich beeinflussen.

Widerstände mit durchkontaktierten Kohlenstoff- und Metallfilmteilen sowie oberflächenmontierte Widerstände mit dicken und dünnen Filmen sind alle hohlraumfrei und werden in drucktoleranten Designs bevorzugt. Dünnschichttypen weisen eine minimale Druckabhängigkeit auf und sind ideal für Hochdruckanwendungen.

Polymerfilmkondensatoren sind frei von Hohlräumen und in einer Hochdruckumgebung recht stabil. Keramikkondensatoren haben eine gute Druckfestigkeit und sind langlebig. Mit Soft-Terminierung-Typen eignen sich Keramikkondensatoren besser für Anwendungen mit hohen Vibrationen, beispielsweise in der Automobilelektronik.

Transformatoren und Induktoren zeigen unter hohem Druck die geringsten Veränderungen ihrer ferromagnetischen Eigenschaften. Bei der Auswahl der Isolatoren werden die neuesten magnetisch und induktiv gekoppelten On-Chip-Isolatoren bevorzugt, da sie ohne freie Räume innerhalb des Bauteils konstruiert sind. Siliziumoszillatoren ohne mechanische Resonatoren werden in der Unterwasserelektronik bevorzugt, um den Flüssigkeitsdruck aufrechtzuerhalten.

CMOS-ICs werden normalerweise nicht durch hohen Druck beeinträchtigt, aber die Genauigkeit analoger Geräte wie Operationsverstärker kann sich bei höheren Druckkräften in der Umgebung verschlechtern. Regelmäßige Neukalibrierung und strategische Platzierung von ICs können bei der Bewältigung der durch hohen Umgebungsdruck verursachten Chip-Beanspruchung hilfreich sein. Im Allgemeinen bieten bleihaltige Gehäuse in rauen Umgebungen eine höhere Konsistenz und Haltbarkeit als oberflächenmontierte Teile. Mit Epoxidharz verpackte ICs weisen lineare Kompressionseigenschaften auf und eignen sich für drucktolerante Designs.

Elektronische Komponenten geben während des Schaltungsbetriebs normalerweise Wärme ab. Bei der Platzierung der Komponenten auf der Leiterplatte ist es notwendig, die Wärmeableitung und das Leistungsbudget der elektronischen Geräte abzuschätzen. Um Elektronik in extremen Umgebungen zu betreiben, sind ein effizientes thermisches Design und die Implementierung von Wärmeableitungsstrategien zwingend erforderlich.

PCB-Designer integrieren thermische Durchkontaktierungen auf der Leiterplatte, um die Wärme von den Hochstromkomponenten abzuleiten. Eine gleichmäßige Lötdicke der Geräteverbindungen kann die Wärmeansammlung an den Komponentenstiften reduzieren. Reicht der Einsatz von Kühlkörpern für eine effektive Wärmeableitung nicht aus, sind für die Leiterplattenbestückung zusätzliche Kühlkreisläufe wie Lüfter erforderlich.

Bei vibrations- und druckempfindlichen Anwendungen wird die Verwendung von Durchgangslochteilen (Steckverbindern, Widerständen, Kondensatoren usw.) empfohlen, da die SMT-Leiterplattenbestückung bei solchen Anforderungen nicht gut funktioniert. Eine elektromagnetische Abschirmung für kritische Komponenten auf der Leiterplatte kann externe Rauschprobleme mindern. Um Schäden durch Staub oder Feuchtigkeit zu vermeiden, wird empfohlen, die Leiterplattenoberfläche mit einer Schutzbeschichtung zu versehen oder die Komponenten mit einem Harz zu versiegeln.

Verschiedene Arten von Schutzbeschichtungen können die Leiterplatte vor Umweltschäden schützen. Epoxid- und Polyurethanharze sind hervorragende Isolatoren gegen aggressive Umgebungen und werden zum Schutz von Leiterplatten vor Feuchtigkeit, Vibration sowie thermischen und mechanischen Stößen eingesetzt. Die Schichtdicke unterstützt das Eintauchen der Platte in Wasser, Lösungsmittel und Gase.

Die Silikonharzbeschichtung besteht aus Silikonharz und ist beständig gegen Chemikalien, Feuchtigkeit und Vibrationen. Im Vergleich zu anderen Beschichtungen können sie Leiterplatten über einen größeren Temperaturbereich schützen. Diese Eigenschaft hat dazu geführt, dass Silikonharzbeschichtungen in Automobilanwendungen immer beliebter werden.

Ein wichtiger elektrischer Aspekt drucktoleranter Elektronik besteht darin, das Durchschlagsfeld von Luft (auch Gasen und Flüssigkeiten) bei hohem Druck zu verstehen. Wenn zwei Leiter nahe beieinander liegen und unter hoher Spannung stehen, sind elektrostatische Entladung und dielektrischer Durchschlag möglich. Wenn die Platine außerdem unter hohem Druck betrieben wird, steigt das Durchschlagsfeld ebenfalls linear mit dem ausgeübten Druck (Paschen-Gesetz). Die Norm IPC – 2221B legt die Anforderung an den Leiterabstand fest, um einem möglichen dielektrischen Durchschlag bei hoher Spannung vorzubeugen. Die Einhaltung der Norm ist entscheidend für den Betrieb drucktoleranter Elektronik bei hoher elektrischer Feldstärke.

Drucktolerante Elektronik muss vor dem Einsatz zusätzlichen strukturellen Integritätstests unterzogen werden. IPC 6013 ist der Standard für die Qualifizierung und Leistung von starren und starr-flexiblen Leiterplatten.

Für Platinen der Klassen 3 und 3A (gemäß IPC 6011), die für kritische Anwendungen in rauen Umgebungen verwendet werden, ist die Prüfstufe recht streng, um eine fehlerfreie Leistung sicherzustellen. Die Einhaltung dieser Standards stellt die Integrität des PCB-Produkts sicher.

Regressionstests wie der Highly Accelerated Life Test (HALT) werden verwendet, um die Zuverlässigkeit des Boards durch Simulation extremer Bedingungen zu bewerten. Andere Tests wie der Burn-In-Test und der Electrical Safety Test (EST) werden ebenfalls empfohlen. Einzelheiten zum Design für Zuverlässigkeit finden Sie im IPC 9592-Standard.

Für die Unterwasserelektronik werden unterschiedliche Testmethoden für Komponenten und Leiterplattenbaugruppen angewendet. Um die langfristige Zuverlässigkeit drucktoleranter Elektronik sicherzustellen, ist eine zyklische Prüfung des endgültigen Produktionsdesigns obligatorisch. Bei diesem Test wird die Leiterplattenbaugruppe wiederholt mit definierten Geschwindigkeiten unter Druck gesetzt und entlüftet. Auch die Haltezeit und die Endpunkte werden während des Tests kontrolliert, um etwaige Leistungseinbußen des Produkts zu erkennen.

Für robuste Elektronik umfasst ein vollständiger PCB-Entwicklungsprozess die sorgfältige Auswahl von PCB-Substraten und -Komponenten sowie die Anwendung geeigneter Design- und Montageverfahren. Durch die Sicherstellung einer regelmäßigen Wartung der Produkte können Defekte reduziert und Gesamtsystemausfälle vermieden werden. Die Einhaltung dieser Richtlinien könnte zu elektronischen Designs führen, die auch unter rauen Bedingungen unter Druck effizient arbeiten können.

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