Leiterplatte mit hoher Dichte

Die größten Herausforderungen für Leiterplatten in rauen Umgebungen lassen sich wie folgt zusammenfassen:
Feuchtigkeit, Staub und Schmutz:Um diesen Umwelteinflüssen entgegenzuwirken, ist es oft notwendig, die Leiterplatte mit einem speziellen Verfahren, dem sogenannten Conformal Coating, zu behandeln. Dabei wird die Leiterplatte nach dem Montageprozess mit einer dünnen Schicht aus nicht leitendem Schutzmaterial wie Silikon, Acryl, Urethan oder p-Xylol bedeckt. Durch die Beschichtung kann die Lebensdauer der elektronischen Schaltung verlängert werden, indem sie vor äußeren Verunreinigungen geschützt wird.

Hohe Temperaturen:Wenn die Leiterplatte dauerhaft bei Temperaturen über dem Standard betrieben werden muss, ist es besser, Schichten mit dickerem Kupfer (Schwerkupfer) zu verwenden. Kupferstärken von mehr als 3 Unzen pro Quadratfuß werden typischerweise mit der Aufbringung der nachgiebigen Beschichtung kombiniert, um der Platine einen hohen Schutzgrad bei ununterbrochenem Betrieb bei hohen Temperaturen zu bieten. Die Verwendung von Schichten mit einer höheren Glasübergangstemperatur (Tg), wie z. B. FR-4 TG140 oder TG170), bietet der Leiterplatte zusätzlichen Schutz vor Temperaturen

Ionisierende Strahlung:PCBs für Luft- und Raumfahrtanwendungen werden zusätzlich zur elektromagnetischen Strahlung, die von der Sonne und anderen Himmelskörpern erzeugt wird, mit Partikeln unterschiedlicher Art bombardiert. Diese Strahlung kann vorübergehende Störungen (z. B. Bit-Flip oder Speicherlöschung) oder dauerhafte Komponentenschäden durch Stöße und Vibrationen verursachen, insbesondere in Automobil- und Luft- und Raumfahrtanwendungen.

Korrosion:Dies ist eine der größten Gefahren für jedes Metallteil. Korrosion tritt auf, wenn sich Sauerstoff und Metall durch einen als Oxidation bezeichneten Prozess miteinander verbinden. Dadurch entsteht Rost und das Metall verliert seine chemischen Eigenschaften und zersetzt sich mit der Zeit. Da PCBs einen hohen Metallanteil enthalten, unterliegen sie bei Einwirkung von Sauerstoff der Korrosion.

Um Schäden durch atmosphärische Einflüsse zu verhindern, wird nach der Montage eine nichtleitende Schutzbeschichtung, die sogenannte Schutzbeschichtung, auf die Leiterplatte aufgetragen (Abbildung 1). Dies wird üblicherweise bei Leiterplatten für Verbraucher-, Haushaltsgeräte- und Mobilgeräte angewendet, bei denen der Betrieb häufig in der Nähe von Feuchtigkeit, Staub oder anderen rauen Umgebungsfaktoren erfolgt. Die auf die Leiterplatte aufgebrachte Schutzschicht lässt die in den Leiterplattenschichten vorhandene Feuchtigkeit nach außen fließen und verhindert gleichzeitig, dass äußere Einflüsse die Leiterplatte und ihre Komponenten erreichen und deren Funktion beeinträchtigen. Die konforme Beschichtung erhöht nicht nur die Zuverlässigkeit, sondern verlängert auch die Lebensdauer der Schaltung.

Die gebräuchlichsten Arten von Schutzbeschichtungen sind Silikon, Acrylharz, Polyurethan und p-Xylol, die jeweils ein gewisses Maß an Schutz bieten können. Silikon beispielsweise kann die unterschiedlichsten Temperaturbereiche abdecken und ist daher die beste Wahl für Anwendungen mit extremen Temperaturen. Andererseits hat Silikon auf manchen Untergründen eine schlechte Haftkraft und eine geringere chemische Beständigkeit als Acrylharz. Letzteres ist aufgrund seiner starren Struktur für den Einsatz bei Stößen und Vibrationen nicht besonders geeignet. Polyurethane bieten eine hohe Beständigkeit gegen Feuchtigkeit, Abrieb und Vibrationen und halten niedrigen Temperaturen gut stand, hohen Temperaturen jedoch nicht. Daraus folgt, dass sie hauptsächlich in Anwendungen mit Temperaturen von -40 Grad bis +120 Grad eingesetzt werden. P-Xylol ist ein konsistentes Material, das einen hohen Schutz bietet, aber teuer ist und empfindlich gegenüber Verunreinigungen ist und im Vakuum angewendet werden muss.

Für die Anwendung der konformen Leiterplattenbeschichtung können vier Techniken eingesetzt werden: Eintauchen, automatisierte selektive Beschichtung, Sprühen und Bürsten. Jede dieser Alternativen erreicht das gleiche Ziel: die vollständige Abdeckung der Leiterplatte einschließlich der scharfen Kanten und aller Kanten der Platine. Nach dem Auftragen wird der Schutzlack durch Lufttrocknung, Ofentrocknung oder UV-Licht ausgehärtet.

Die zunehmende Dichte der Komponenten auf der Leiterplatte führt zwangsläufig zu einem Anstieg der Betriebstemperaturen, ein Zustand, der auf lange Sicht aufgrund der Ausdehnung und Kontraktion von Materialien mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften die Integrität der Schweißnähte oder der Schichten selbst beeinträchtigen kann. Eine Hochtemperatur-Leiterplatte sollte daher ein Dielektrikum mit einer Glasübergangstemperatur (Tg) von mindestens 170 Grad verwenden. Eine normalerweise angewendete Regel besteht darin, Betriebstemperaturen zuzulassen, die bis zu etwa 25 Grad unter dem Tg-Wert des verwendeten Materials liegen. Zusätzlich zur Wahl des Materials kann die hohe Temperatur der Leiterplatte dadurch bewältigt werden, dass die erzeugte Wärme abgeführt und auf andere Bereiche der Leiterplatte übertragen wird. Wenn das heiße Bauteil auf der Oberseite der Leiterplatte montiert ist und über eine ausreichend große Oberfläche verfügt, kann darauf ein Kühlkörper installiert werden, der die Wärme zunächst durch Leitung (vom Bauteil zum Kühlkörper) und dann durch Konvektion (vom Bauteil zum Kühlkörper) abführen kann die Oberflächen des Kühlkörpers an die umgebende, kältere Luft).

Wenn die heiße Komponente auf der Unterseite der Leiterplatte montiert ist und es nicht möglich ist, einen Kühlkörper zu montieren, besteht die von Designern üblicherweise verwendete Technik darin, eine große Anzahl thermischer Pfade auf der Leiterplatte einzufügen, um die Wärme von der heißen Komponente wegzuleiten eine Schicht. Kupfer auf der Oberseite der Leiterplatte, von wo aus es weiter zu einem geeigneten Kühlkörper übertragen werden kann. Typischerweise sind auf Leiterplatten montierte Kühlkörper groß und haben gerippte oder geriffelte Oberflächen, um die Ableitungsfläche zu vergrößern. Um die erzwungene Konvektionskühlung im Vergleich zur natürlichen Konvektionskühlung zu verbessern, können Lüfter hinzugefügt werden.

Für langfristige Weltraummissionen bleibt nur der Einsatz „strahlungsharter“ Komponenten. Diese Komponenten sind deutlich seltener und damit teurer als Standardkomponenten. Für kurzfristige Weltraummissionen (bis zu einem Jahr) kann die Verwendung kommerzieller Standardkomponenten zulässig sein, sofern deren Widerstandsfähigkeit gegen Strahlung analysiert und überprüft wird. Dadurch können Sie die Designkosten von Raumfahrtgeräten reduzieren und die Auswahl der für das Design verfügbaren Komponenten erweitern. Durch die Anwendung verschiedener Hardware-Designtechniken kann den Auswirkungen der Strahlung entgegengewirkt werden. Auf der Ebene des PCB-Designs ist es beispielsweise wichtig, eine ausreichende Erdung aller Metallteile sicherzustellen.

Zum Schutz vor Stößen und Vibrationen kann die Leiterplatte in einen Behälter eingebaut 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 haben, variiert die Dicke der Harzschicht jedoch auf der gesamten Platine, sodass für jede Komponente ein leicht unterschiedlicher Schutzgrad gewährleistet ist. Die dünnste Harzschicht entspricht daher im schlimmsten Fall dem Schutzniveau der gesamten Platine. Bevor überhaupt über eine Harzverkapselung nachgedacht wird, muss die Leiterplatte gründlich gereinigt werden. Oberflächenverunreinigungen können sich negativ auf den durch die Verkapselung gebotenen Schutz auswirken, insbesondere bei chemischer Beständigkeit (da dadurch Chemikalien leichter eindringen können).