Chemikalienbeständige Leiterplatte: Materialspezifikationen, Beschichtungsleitfaden und Fehlervermeidung

Chemikalienbeständige Leiterplatte: Kurzantwort (30 Sekunden)

Die Entwicklung einer chemikalienbeständigen Leiterplatte erfordert die Abstimmung der Platinenmaterialien und Schutzschichten auf die spezifischen chemischen Agenzien (Säuren, Basen, Lösungsmittel oder Kraftstoffe) in der Betriebsumgebung.

Substratwahl: Standard-FR4 zersetzt sich in starken Säuren oder bei hohen Temperaturen in Lösungsmitteln. Verwenden Sie Polyimid, PTFE (Teflon) oder Keramik für extreme chemische Stabilität.
Oberflächenveredelung: Vermeiden Sie OSP oder Immersion Silver in korrosiven Atmosphären. ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) oder ENEPIG bietet die beste Barriere gegen Oxidation und chemischen Angriff.
Lötstopplack: Stellen Sie sicher, dass der Lack vollständig ausgehärtet ist. Flüssige fotoempfindliche (LPI) Lacke bieten im Allgemeinen eine bessere Beständigkeit als Trockenfilme, aber Nadellöcher müssen minimiert werden.
Schutzlack (Conformal Coating): Dies ist der primäre Schutz. Parylene (Typ XY) bietet eine überlegene chemische Inertheit im Vergleich zu Acryl (Typ AR) oder Silikon (Typ SR).
Verguss: Für vollständiges Eintauchen oder chemische Exposition unter hohem Druck ist eine vollständige Verkapselung (Verguss) mit Epoxidharz oder Urethan erforderlich.
Validierung: Überprüfen Sie die Beständigkeit vor der Massenproduktion mithilfe der IPC-TM-650 2.3.x-Testmethoden (z. B. chemische Beständigkeit gegenüber Lösungsmitteln).

Wann eine chemikalienbeständige Leiterplatte zum Einsatz kommt (und wann nicht)

APTPCB (APTPCB Leiterplattenfabrik) empfiehlt spezifische Maßnahmen zur chemischen Beständigkeit für die folgenden Szenarien:

Automobil- und Luftfahrtindustrie: Leiterplatten, die Hydraulikflüssigkeiten, Kraftstoffen, Abgasen oder Enteisungsmitteln ausgesetzt sind.
Medizinprodukte: Geräte, die wiederholten Sterilisationszyklen unterzogen werden (Autoklav, chemische Wischdesinfektion mit Bleichmittel oder Alkohol).
Industrielle Steuerungen: Leiterplatten, die sich in der Nähe von chemischen Verarbeitungsbehältern, Galvaniklinien oder in Umgebungen mit hohem Schwefel-/Chlorgehalt befinden.
Marine Anwendungen: Ständige Exposition gegenüber Salznebel und Feuchtigkeit, die die galvanische Korrosion beschleunigt.
Agrartechnik: Exposition gegenüber Düngemitteln, Pestiziden und Ammoniak.

Maßnahmen zur Chemikalienbeständigkeit sind wahrscheinlich unnötig, wenn:

Das Gerät in einer kontrollierten Büro- oder Heimumgebung betrieben wird (Standard-HLK).
Die Leiterplatte sich in einem hermetisch versiegelten IP67/IP68-Gehäuse befindet (das Gehäuse bietet die Chemikalienbeständigkeit, nicht die Leiterplatte).
Das Produkt eine sehr kurze Einweglebensdauer hat, bei der Langzeitkorrosion kein Ausfallmodus ist.
Kostenbeschränkungen die Verwendung von Schutzlacken oder speziellen Laminaten strikt verbieten (Standard-FR4 wird verwendet, wobei das Risiko akzeptiert wird).

Regeln und Spezifikationen für chemikalienbeständige Leiterplatten (Schlüsselparameter und Grenzwerte)

Die folgende Tabelle skizziert die kritischen Parameter für die Realisierung einer robusten chemikalienbeständigen Leiterplatte.

Regel	Empfohlener Wert/Bereich	Warum es wichtig ist	Wie zu überprüfen	Wenn ignoriert
Laminatmaterial	High Tg FR4 (>170°C), Polyimid oder PTFE	Standard-Epoxidharze quellen oder lösen sich in aggressiven Lösungsmitteln (z.B. MEK, Aceton).	Datenblattprüfung (Abschnitt chemische Beständigkeit); IPC-4101.	Delamination oder Erweichung des Leiterplattensubstrats.
Oberflächenveredelung	ENIG (2-5µin Gold) oder ENEPIG	Gold ist chemisch inert. Silber und OSP laufen an oder korrodieren schnell in schwefelhaltiger/saurer Luft.	Röntgenfluoreszenz (XRF) zur Dickenmessung.	Black Pad, Verlust der Lötbarkeit oder Kontaktfehler.
Lötstopplack-Typ	Hochwertiger LPI (Grün ist oft am robustesten)	Die Maske ist die erste Verteidigungslinie für Kupferleiterbahnen.	Lösungsmittel-Reibtest (IPC-TM-650 2.3.25).	Ablösung der Maske, Blasenbildung oder Kupferfreilegung.
Schutzlackierung	Parylene (0.01-0.05mm) oder Epoxid	Acrylate lösen sich in Lösungsmitteln; Silikone sind für einige Gase durchlässig. Parylene ist porenfrei.	UV-Inspektion (falls Tracer hinzugefügt) oder Dickenmessgerät.	Chemischer Eintritt unter Komponenten; Kurzschlüsse.
Via-Schutz	Tented, Plugged oder Filled & Capped (Typ VII)	Offene Vias fangen Chemikalien/Flussmittelrückstände ein, die von innen nach außen korrodieren.	Mikroschnittanalyse.	Eingeschlossene Verunreinigungen verursachen langfristige Barrel-Korrosion.
Kupfergewicht	≥ 1 oz (35µm)	Dickeres Kupfer braucht länger zum Durchkorrodieren, wenn es freiliegt.	Querschnittsanalyse.	Schnelle Unterbrechungen, wenn Schutzschichten versagen.
Kantenabstand	Kupfer > 0,5 mm vom Rand	Freiliegende Glasfaser an der Kante kann Chemikalien in die Leiterplattenschichten saugen (Measling).	Sichtprüfung / Gerber-Überprüfung.	Kurzschlüsse zwischen den Schichten durch chemisches Aufsaugen (CAF).
Flussmittelrückstände	No-Clean oder gründliche Reinigung	Flussmittelrückstände können mit Umgebungsfeuchtigkeit/-chemikalien reagieren und leitfähige Salze bilden.	Prüfung auf ionische Verunreinigungen (ROSE-Test).	Dendritisches Wachstum und Kriechströme.
Vergoldung der Kontaktfinger	Hartgold (30-50µin)	Steckverbinder sind Verschleiß- und Chemikalieneintrittsstellen. Hartgold widersteht Abrieb und Korrosion.	RFA-Messung.	Zeitweise Verbindung aufgrund von Kontaktkorrosion.
Komponentenauswahl	Versiegelte / IP-zertifizierte Komponenten	Eine beständige Leiterplatte kann einen nicht beständigen Schalter oder Sensor nicht retten.	Stücklistenprüfung anhand der Umweltspezifikationen.	Komponentenausfall trotz Überleben der Leiterplatte.

Schritte zur Implementierung chemikalienbeständiger Leiterplatten (Prozesskontrollpunkte)

Befolgen Sie diesen Prozess, um sicherzustellen, dass Ihr Design die Anforderungen an die Chemikalienbeständigkeit bei APTPCB erfüllt.

Chemikalienmatrix definieren
- Aktion: Listen Sie jeden chemischen Stoff auf, dem die Leiterplatte begegnen könnte (z. B. Isopropylalkohol, Benzin, Schwefelsäuredämpfe).
- Schlüsselparameter: Konzentration und Temperatur der Chemikalie.
- Prüfung: Bestätigen Sie, ob die Exposition durch kontinuierliches Eintauchen, Spritzer oder Dämpfe erfolgt.
Substrat auswählen

Aktion: Wählen Sie das Basismaterial. Für allgemeine Beständigkeit ist High-Tg FR4 ausreichend. Für starke Lösungsmittel geben Sie Teflon (PTFE) oder Keramik an.
Schlüsselparameter: Feuchtigkeitsabsorptionsrate (<0,1 %).
Prüfung: Überprüfen Sie die Materialkompatibilität mit den in Schritt 1 definierten spezifischen Chemikalien.

Entwurf des Lagenaufbaus und der Oberfläche
- Aktion: Wählen Sie die Oberflächenveredelung ENIG oder ENEPIG. Vermeiden Sie HASL, wenn Ebenheit für Dichtungen erforderlich ist; vermeiden Sie OSP für raue Umgebungen.
- Schlüsselparameter: Golddicke (mind. 2µin für ENIG).
- Prüfung: Stellen Sie sicher, dass die Oberfläche alle freiliegenden Kupferpads abdeckt, die nicht von der Lötstoppmaske bedeckt sind.
Lötstoppmaske und Vias konfigurieren
- Aktion: Geben Sie verstopfte Vias an, um chemische Fallen zu vermeiden. Stellen Sie die Erweiterung der Lötstoppmaske auf Null oder minimal ein, um die Abdeckung zu maximieren.
- Schlüsselparameter: Maskendicke > 25µm über Leitern.
- Prüfung: Führen Sie eine DFM-Prüfung durch, um sicherzustellen, dass keine "Lötstoppmasken-Splitter" vorhanden sind, die sich ablösen könnten.
Konforme Beschichtung spezifizieren
- Aktion: Fügen Sie in den Montagehinweisen eine Beschichtungsschicht hinzu. Wählen Sie Parylene für maximalen Schutz oder Urethan für Abriebfestigkeit.
- Schlüsselparameter: Beschichtungsdicke (typischerweise 25-75µm).
- Prüfung: Definieren Sie "Keep Out"-Bereiche für Steckverbinder und Testpunkte in der Montagezeichnung.
EMI-Abschirmung berücksichtigen

Aktion: Wenn Sie eine EMI-geschirmte Leiterplatte entwerfen, stellen Sie sicher, dass die leitfähige Abschirmfarbe oder -gehäuse ebenfalls chemisch beständig sind.
Schlüsselparameter: Galvanische Kompatibilität zwischen Abschirmung und Leiterplattenoberfläche.
Prüfung: Überprüfen Sie, ob das Abschirmmaterial bei Exposition gegenüber der Zielumgebung nicht korrodiert.

Prototypenvalidierung
- Aktion: Bestellen Sie eine kleine Charge und führen Sie Umwelttests durch.
- Schlüsselparameter: Bestanden/Nicht bestanden gemäß IPC-TM-650 2.3.4 (Chemische Beständigkeit).
- Prüfung: Überprüfen Sie nach der Exposition auf Schwellungen, Farbveränderungen oder Klebrigkeit.

Fehlerbehebung bei chemisch beständigen Leiterplatten (Fehlermodi und Lösungen)

Wenn eine chemisch beständige Leiterplatte ausfällt, geschieht dies normalerweise über bestimmte Mechanismen. Verwenden Sie diese Anleitung zur Diagnose von Problemen.

1. Blasenbildung / Ablösung der Lötstoppmaske

Symptom: Die grüne Maske bläht sich auf oder blättert ab, wodurch Kupfer freigelegt wird.
Ursachen: Schlechte Haftung aufgrund von Oberflächenverunreinigungen vor dem Auftragen; chemischer Angriff, der das Epoxidharz aufweicht.
Prüfungen: Führen Sie einen Klebebandtest durch (IPC-TM-650 2.4.1). Überprüfen Sie die Protokolle des Reinigungsprozesses.
Lösung: Wechseln Sie zu einer LPI-Maske mit hoher Haftung; verbessern Sie die Vorreinigung.
Prävention: Stellen Sie sicher, dass die Maske vollständig ausgehärtet (UV-Nachhärtung) und mit dem Lösungsmittel kompatibel ist.

2. Black Pad / Korrodierte Kontakte

Symptom: Verdunkelte Pads, spröde Lötstellen oder offene Stromkreise an Steckverbindern.
Ursachen: Hyperkorrosion der Nickelschicht unter dem Gold (Black Pad); Schwefel greift die Silberoberfläche an.
Prüfungen: SEM/EDX-Analyse der Pad-Grenzfläche.
Behebung: Oberflächenveredelung auf ENEPIG oder Hartgold ändern.
Prävention: Die Chemie des Tauchgoldbades streng kontrollieren; Tauchsilber in schwefelreicher Luft vermeiden.

3. Wachstum von leitfähigen anodischen Filamenten (CAF)

Symptom: Interne Kurzschlüsse zwischen Vias oder Leiterbahnen.
Ursachen: Chemikalien/Feuchtigkeit, die entlang der Glasfasern im Laminat aufsteigen.
Prüfungen: Elektrische Isolationstest; Querschnittsanalyse.
Behebung: Abstand zwischen den Merkmalen vergrößern; „CAF-resistente“ Laminatmaterialien verwenden.
Prävention: Platinenkanten versiegeln; harzgefüllte Vias verwenden.

4. Delamination der Schutzlackierung

Symptom: Beschichtung löst sich von der Platine, wodurch Flüssigkeit eindringen kann.
Ursachen: Flussmittelrückstände auf der Platine (No-Clean-Flussmittel ist oft der Übeltäter); inkompatibles Beschichtungsmaterial.
Prüfungen: UV-Inspektion auf Ablösung; ionischer Sauberkeitstest.
Behebung: Einen gründlichen Waschprozess vor der Beschichtung implementieren.
Prävention: Die Oberflächenenergie der Beschichtung an die Oberflächenenergie der Platine anpassen; bei Bedarf eine Grundierung verwenden.

5. Korrosion von Bauteilanschlüssen

Symptom: Rost oder grüne Oxidation an Bauteilbeinchen, die zu Bruch führen.
Ursachen: Beschichtung bedeckte die scharfen Kanten der Anschlüsse nicht (Fehler bei der Kantenabdeckung).
Prüfungen: Sichtprüfung unter Vergrößerung.
Behebung: Verwenden Sie einen Doppeltauchbeschichtungsprozess oder eine Beschichtung mit besseren thixotropen Eigenschaften.
Prävention: Geben Sie eine minimale Beschichtungsdicke an scharfen Kanten an.

So wählen Sie chemikalienbeständige Leiterplatten aus (Designentscheidungen und Kompromisse)

Materialkompromisse Die Wahl des richtigen Materials für eine chemikalienbeständige Leiterplatte erfordert ein Abwägen zwischen Kosten und Beständigkeit.

FR4 + Acrylbeschichtung: Geringe Kosten. Gut für milde Feuchtigkeit. Schlecht für Lösungsmittel.
FR4 + Parylene: Mittel-hohe Kosten. Ausgezeichnet für fast alle Chemikalien. Der Prozess ist langsam (Vakuumbeschichtung).
Polyimid: Hohe Kosten. Ausgezeichnete thermische und chemische Stabilität. Schwerer zu verarbeiten.
Keramik: Sehr hohe Kosten. Undurchlässig für die meisten Chemikalien. Spröde.

Überlegungen zur EMI-Abschirmung Bei einer EMI-abgeschirmten Leiterplatte muss die Abschirmmethode die Umgebung überstehen. Leitfähige Farben enthalten oft Silber- oder Kupferpartikel. Wenn diese Schwefel oder Säuren ausgesetzt werden, korrodiert die Abschirmung selbst und verliert ihre Wirksamkeit. In solchen Fällen ist ein auf die Platine gelötetes Metallgehäuse (mit Zinn oder Nickel beschichtet) oft robuster als ein leitfähiges Spray.

Häufig gestellte Fragen zu chemikalienbeständigen Leiterplatten (Kosten, Lieferzeit, DFM-Dateien, Lagenaufbau, Röntgeninspektion, IPC-Klasse)

1. Gilt Standard-FR4 als chemikalienbeständiges Leiterplattenmaterial? Standard-FR4 weist eine gute Beständigkeit gegenüber vielen Ölen und milden Reinigern auf, ist jedoch nicht beständig gegen starke Säuren, Laugen oder aggressive Lösungsmittel wie MEK. Hierfür sind spezielle Beschichtungen oder Substrate erforderlich. 2. Welche Schutzlackierung bietet die beste chemische Beständigkeit? Parylene (Typ XY) gilt allgemein als Goldstandard für chemische Beständigkeit. Es wird als Gas abgeschieden und gewährleistet eine porenfreie Abdeckung. Epoxidbeschichtungen sind ebenfalls sehr widerstandsfähig, aber schwer nachzubearbeiten.

3. Kann ich eine chemikalienbeständige Leiterplatte waschen? Ja, und das müssen Sie oft. Das Entfernen von Flussmittelrückständen ist entscheidend, bevor die Schutzlackierung aufgetragen wird. Die gewählten Komponenten müssen jedoch "waschbar" (versiegelt) sein, da der Waschprozess sie sonst beschädigen würde.

4. Wie beeinflusst die chemische Beständigkeit die Leiterplattenkosten? Sie erhöht die Kosten. Der Übergang von HASL zu ENIG erhöht die Kosten um ca. 5-10 %. Das Hinzufügen einer Schutzlackierung fügt Montageschritte und Materialkosten hinzu. Parylene ist deutlich teurer als Sprühbeschichtungen.

5. Beeinflusst die Farbe des Lötstopplacks die chemische Beständigkeit? Leicht. Grüne LPI-Masken weisen typischerweise die höchste Vernetzungsdichte und beste chemische Leistung auf, da die Formulierung am ausgereiftesten und optimiertesten ist. Andere Farben können eine etwas geringere Leistung aufweisen.

6. Was ist der Unterschied zwischen Verguss und Beschichtung? Eine Beschichtung ist ein dünner Film (Mikrometer), der sich der Form anpasst. Verguss ist das Füllen des gesamten Gehäuses mit einem Harz (Millimeter/Zentimeter). Verguss bietet einen weit überlegenen chemischen und physikalischen Schutz, macht aber Reparaturen unmöglich.

7. Wie schütze ich Steckkantenverbinder? Beschichten Sie sie nicht. Verwenden Sie während des Beschichtungsprozesses Abdeckband oder Schutzkappen. Stellen Sie sicher, dass die Steckverbinder eine Hartvergoldung aufweisen, um Korrosion während ihrer gesteckten Lebensdauer zu widerstehen.

8. Kann ich eine OSP-Oberfläche für die chemische Beständigkeit verwenden? Nein. OSP (Organic Solderability Preservative) ist eine extrem dünne organische Schicht, die nur dazu dient, die Lötbarkeit bis zum Reflow zu erhalten. Sie bietet keinerlei Langzeitschutz gegen Umwelteinflüsse.

9. Was ist CAF-Beständigkeit? CAF-Beständigkeit (Conductive Anodic Filament) bezieht sich auf Laminate, die so hergestellt werden, dass sie die elektrochemische Migration entlang des Glasgewebes verhindern. Dies ist entscheidend für Platinen, die Feuchtigkeit und Vorspannung ausgesetzt sind.

10. Wie teste ich die chemische Beständigkeit? Der Standardtest ist IPC-TM-650 2.3.25 (Beständigkeit gegen Lösungsmittel und Reinigungsmittel). Dabei wird die Oberfläche mit bestimmten Lösungsmitteln abgerieben und auf Degradation geprüft.

Glossar chemisch beständiger Leiterplatten (Schlüsselbegriffe)

Begriff	Definition
Schutzlackierung	Eine schützende chemische Beschichtung oder Polymerfolie von 25-75 µm Dicke (typisch 50 µm), die sich der Topologie der Leiterplatte 'anpasst'.
Parylen	Ein aus der Gasphase (CVD) abgeschiedenes Polymer, das überlegene chemische, Feuchtigkeits- und dielektrische Barriereeigenschaften bietet.
Delamination	Ein Fehler, bei dem sich Schichten der Leiterplatte oder der Beschichtung vom Basismaterial trennen.
Hygroskopisch	Die Eigenschaft, Feuchtigkeit aus der Luft aufzunehmen. FR4 ist leicht hygroskopisch; Polyimid ist stärker hygroskopisch.
ENIG	Chemisch Nickel/Immersionsgold. Eine Oberflächenveredelung, die aus einer Nickelsperrschicht und einer dünnen äußeren Goldschicht besteht.
Verguss	Der Prozess, bei dem eine komplette elektronische Baugruppe mit einer festen oder gelartigen Verbindung gefüllt wird, um sie widerstandsfähig gegen Stöße und Chemikalien zu machen.
LPI	Flüssig-Fotoresist. Eine Art Lötstopplack, der als Flüssigkeit aufgetragen, UV-Licht ausgesetzt und entwickelt wird.
Vernetzung	Ein chemischer Prozess, bei dem Polymerketten miteinander verbunden werden, wodurch die Steifigkeit und chemische Beständigkeit des Materials erhöht wird.
CAF	Leitfähiges Anodisches Filament. Ein elektrochemischer Fehlermodus, bei dem Kupfer entlang der Glasfasern innerhalb der Leiterplatte wächst.
Lösemittelbeständigkeit	Die Fähigkeit eines Materials, beim Kontakt mit Lösemitteln Quellung, Auflösung oder Rissbildung zu widerstehen.

Angebot für chemikalienbeständige Leiterplatten anfordern (DFM-Überprüfung + Preisgestaltung)

Für ein präzises Angebot für Ihre chemikalienbeständige Leiterplatte senden Sie uns bitte Ihre Gerber-Dateien, Stückliste (BOM) und eine Beschreibung der chemischen Umgebung (spezifische Mittel und Konzentrationen). Die Ingenieure von APTPCB werden Ihren Lagenaufbau und Ihre Beschichtungsanforderungen überprüfen, um die DFM-Konformität und langfristige Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

Fazit: Nächste Schritte für chemikalienbeständige Leiterplatten

Eine chemikalienbeständige Leiterplatte wird durch mehr als nur ihr Basislaminat definiert; sie erfordert einen ganzheitlichen Ansatz, der Oberflächenveredelung, die Integrität der Lötstoppmaske und spezialisierte Schutzlacke umfasst. Ob Ihre Anwendung Automobilkraftstoffen, medizinischer Sterilisation oder industriellen Lösungsmitteln ausgesetzt ist, die Auswahl der richtigen Kombination aus ENIG-Oberfläche, LPI-Maske und Parylene- oder Epoxidharzbeschichtung ist entscheidend, um Ausfälle zu verhindern. APTPCB bietet die Materialoptionen und Prozesskontrollen, die notwendig sind, um Leiterplatten herzustellen, die diesen aggressiven Umgebungen standhalten.