Die Herstellung von Industrieelektronik unterliegt anderen Gesetzen als die von Konsumgütern. Steuerungen für Produktionslinien, Wechselrichter, SPS-Steuerungen oder Messsysteme müssen über Jahre hinweg zuverlässig funktionieren, oft unter rauen Umgebungsbedingungen. Eine Schlüsselrolle in diesen Geräten spielen Leiterplatten (PCB), die für die Übertragung von Energie und Steuersignalen verantwortlich sind. Welche Anforderungen stellt die Industrie an sie und worauf sollte man bei der Auswahl des Herstellers und der Parameter der Schaltung achten?
Extreme Betriebsbedingungen
Leiterplatten, die in Schaltschränken, CNC-Maschinen oder Schaltanlagen montiert sind, werden häufig erhöhten Temperaturen, Feuchtigkeit, Vibrationen und chemischen Verunreinigungen ausgesetzt. Standard-FR4-Laminate mit niedrigerer Glasübergangstemperatur können sich dabei als unzureichend erweisen. In Hochtemperaturanwendungen werden keramische Dielektrika verwendet, die bei Langzeitbetrieb über 150 °C ihre Dimensionsstabilität behalten. Darüber hinaus ist die Korrosionsbeständigkeit von Bedeutung – die Lötstoppmaske muss das Kupfer vor aggressiven Dämpfen und Kondensat schützen, und die Beschichtung der Leiterplatte sollte die Lötbarkeit während des gesamten Produktlebenszyklus gewährleisten.
Elektrische Parameter und Kupferdicke
In Stromkreisen, die Motoren oder Aktoren versorgen, können die Betriebsströme mehrere Dutzend Ampere erreichen. Um den Temperaturanstieg der Leiterbahnen zu begrenzen, ist eine größere Kupferdicke von bis zu 70 µm oder 105 µm erforderlich. In frequenzsteuernden Geräten (Wechselrichter, Umrichter) wird zusätzlich sogenanntes Heavy Copper, d. h. 2–6 oz Kupfer, verwendet, das eine sichere Übertragung hoher Betriebsströme ermöglicht. Gleichzeitig muss in den Logikbereichen ein ausreichender Abstand zwischen den Leiterbahnen eingehalten werden, um Störungen und Überspannungen zu vermeiden, die durch das Schalten von Lasten mit hoher Leistung induziert werden.
Anforderungen der Normen und IPC-Klassen
Entwickler von Industrieelektronik bestellen meistens Leiterplatten, die der Norm IPC-6012 in Klasse 2 oder 3 entsprechen. Die Klasse 2 bietet erhöhte Zuverlässigkeit und längere Lebensdauer, was für die meisten Betriebsanwendungen ausreichend ist. In kritischen Geräten (z. B. Sicherheitssystemen) ist die Klasse 3 erforderlich, in der die zulässigen Toleranzen minimal und die Tests wesentlich strenger sind.
Wärmeableitung und mehrschichtige Konstruktionen
Die hohe Packungsdichte der Komponenten und der Betrieb bei erhöhten Temperaturen erfordern ein effektives Wärmemanagement. Es werden dabei mehrere Lösungen eingesetzt:
- Platinen auf Aluminiumträger (MCPCB),
- gefüllte Thermo-Vias unter integrierten Schaltkreisen,
- zusätzliche Kupferschichten, die als Radiator dienen,
- Entwurf ausgedehnter Masse- und Versorgungsfelder für eine bessere Energieverteilung.
Mehrschichtige Konstruktionen (von 4 bis zu 12 Schichten) ermöglichen die Trennung der inneren Erdungsebenen und die Führung schneller Kommunikationssignale bei gleichzeitiger Übertragung hoher Ströme in den äußeren Schichten.
Leiterplatten für die Industrieelektronik müssen wesentlich anspruchsvolleren Bedingungen standhalten als Standard-Verbraucherschaltungen. Das bedeutet, dass der Hersteller die Qualität sowohl durch seine Erfahrung als auch durch einen fortschrittlichen, modernen Maschinenpark gewährleisten muss.
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