Wichtige Design-Richtlinien für Leiterplatten in Luft- und Raumfahrt: Zuverlässigkeit und Compliance sicherstellen

16. Oktober 2019

Die Luft- und Raumfahrtindustrie gehört zu den am schnellsten wachsenden Branchen, angetrieben durch den stetig steigenden Flugverkehr. Da Flugreisen Zeit sparen, wird die Nachfrage in den kommenden Jahren weiter zunehmen. Dies bedeutet auch eine wachsende Nachfrage nach Leiterplatten (PCBs) für luft- und raumfahrttechnische Anwendungen. Diese PCBs unterliegen besonderen Anforderungen, die weit über jene herkömmlicher Unterhaltungselektronik oder industrieller Anwendungen hinausgehen. Die Einsatzumgebungen setzen die Baugruppen extremen Temperaturen und rauen Bedingungen aus, die ihre Lebensdauer begrenzen können. Daher müssen Entwickler von Luft- und Raumfahrt-Leiterplatten eine Reihe kritischer Faktoren beachten. Dieser Beitrag beleuchtet die wichtigsten Design-Richtlinien, die PCB-Designer für diese Anwendungen strikt einhalten sollten.

Welchen Umweltbedingungen sind Luft- und Raumfahrt-PCBs ausgesetzt?

Leiterplatten in der Luft- und Raumfahrt müssen einer Vielzahl extremer Umweltbedingungen standhalten, darunter:

• Hohe Temperaturen: Luft- und Raumfahrt-PCBs können Temperaturen von bis zu 150 °C und darüber ausgesetzt sein.
• Stoß- und Vibrationsbelastung: In der Raumfahrt wirken extreme Vibrationen und mechanische Stöße auf die Baugruppen.
• Hochfrequente Signale (RF): In der Luftfahrt werden diverse Funksignale zur Kommunikation genutzt, die elektromagnetische Verträglichkeit erfordern.
• Strahlung: Im Weltraum herrscht ein hohes Strahlungsniveau. Längerer Kontakt führt zum Versagen elektronischer Bauteile.

Wichtige Faktoren beim Design von PCBs für Luft- und Raumfahrt

• Richtige Kupferdicke wählen: Die Stromtragfähigkeit einer Leiterplatte hängt direkt von der Kupferdicke ab. Für Luft- und Raumfahrt werden schwere Kupfergewichte von 2 oz (ca. 70 µm) oder mehr empfohlen. Diese gewährleisten eine deutlich bessere Wärmeableitung als dünnere Kupferlagen. Hersteller kombinieren schwere Kupferstrukturen häufig mit thermischen Vias und Gehäuseanbindungen, um die thermische Leistung zu maximieren. Effizientes Thermomanagement ist entscheidend für die Zuverlässigkeit von Flugzeugen und Satelliten. Die natürlichen thermischen Eigenschaften von Kupfer werden gezielt genutzt, um optimale Kühlung zu erreichen.
• Hochwertige Materialien einsetzen: Wie in der Industrieelektronik kommen auch hier starre, flexible und Starrflex-Leiterplatten zum Einsatz. Der entscheidende Unterschied liegt in der Materialwahl: Während industrielle Anwendungen oft FR4 nutzen, setzen Luft- und Raumfahrt-PCBs auf Polyimid. Dieses Material ist leicht, bietet hervorragende Flexibilität, hohe Haltbarkeit und exzellente Wärmeableitung. Seine Hitzebeständigkeit macht es auch für militärische Anwendungen ideal. Heute stehen Polyimid-Materialien in vielfältigen Konfigurationen zur Verfügung. Unternehmen wie Rogers bieten zudem fortschrittliche Materialien, die zuverlässig, langlebig und kosteneffizient sind. Viele Hersteller nutzen zudem eloxiertes Aluminium, um thermische Probleme aktiv zu lösen.

Dies sind jedoch noch nicht alle Aspekte. Weitere kritische Faktoren für das Design von Luft- und Raumfahrt-PCBs werden in einem Folgebeitrag detailliert behandelt.