Das leichte und gleichzeitig hochfeste Herstellungsverfahren für Leiterplatten in der Luft- und Raumfahrt vereint Materialwissenschaft, Strukturmechanik und Präzisionsfertigung. Jeder technologische Durchbruch trägt zur Entwicklung leichterer, stabilerer und langlebigerer Raumfahrzeuge bei. Von erdnahen Satelliten bis hin zur Erforschung des Weltraums – die in diesen Geräten verborgenen Leiterplatten unterstützen still und leise den Traum der Menschheit von der Erforschung des Universums.
Ersetzen traditioneller Materialien durch neue Materialien
Ultradünne Substrate sind entscheidend für die Gewichtsreduzierung. Leiterplatten in der Luft- und Raumfahrt verwenden häufig Substrate mit einer Dicke von 0,1–0,2 mm, wodurch der Materialverbrauch minimiert und gleichzeitig die Isolationsleistung erhalten bleibt. Bei einer Satelliten-Leiterplatte wurde die Substratdicke von 0,25 mm auf 0,15 mm reduziert, wodurch eine Gewichtsreduzierung von 30% erreicht und Vibrationstests bestanden wurden. Für das Substrat ist zudem ein hochfestes Harz erforderlich.
Verstärkungsmaterialien mit geringer Dichte können herkömmliche Glasfasern ersetzen. Der Ersatz von Glasfasern durch Kohlenstoff- oder Aramidfasern erhält die Festigkeit bei gleichzeitig reduziertem Gewicht. Kohlenstofffasern weisen eine Dichte von nur 1,7 g/cm³ auf. Mit Kohlenstofffasern verstärkte Leiterplattensubstrate sind leichter als herkömmliches FR-4 und bieten gleichzeitig eine höhere Festigkeit. Auch die Metallisierung bedarf einer Optimierung. Die Verwendung dünner Kupferfolie anstelle der standardmäßigen 18 µm dicken Kupferschicht kann das Gewicht deutlich reduzieren.
Die Technologie dünner Kupferfolien reduziert den Metallverbrauch. Die Kupferschichtdicke in Leiterplatten für die Luft- und Raumfahrt konnte von den üblichen 35 µm auf 18–25 µm verringert werden, und für Hochfrequenzsignalleitungen lassen sich sogar ultradünne 12 µm Kupferfolien einsetzen. Durch Optimierung des Galvanisierungsprozesses behält die dünne Kupferfolie eine Haftung von 1,5 N/mm bei und ist somit vibrationsbeständig.
Durch die Verwendung einer Wabenkernstruktur wird die Schlagfestigkeit erhöht.
Die Wabenkernstruktur ist ein charakteristisches Merkmal von Leiterplatten für die Luft- und Raumfahrt. Ein Wabenkern aus Aluminium oder Aramid ist zwischen zwei Substratschichten eingebettet und bildet so eine Sandwichstruktur. Diese Bauweise kann die Schlagfestigkeit um 2001 TP4T erhöhen, allerdings steigt das Gewicht um 101 TP4T.
Lokale Verstärkungen dienen der gezielten Reduzierung von Spannungsspitzen. In Bereichen der Leiterplatte unterhalb schwerer Bauteile wie Steckverbinder und Chips wird die Vibrationsspannung durch Erhöhung der Basismaterialdicke (lokal auf 0,5 mm) oder durch Einbettung von Metallverstärkungen verteilt.
Zur Anpassung an die Weltraumbedingungen sind spezielle Schutzverfahren erforderlich.
Die Vergoldung ist für den Korrosionsschutz unerlässlich. Weltraumplasma und hochenergetische Teilchen können Kupferschichten korrodieren. Daher benötigen Leiterplatten-Pads und Durchkontaktierungen eine 5- bis 10-mal dickere Vergoldung als herkömmliche Leiterplatten. Die Korrosionsrate der Vergoldung im Weltraum beträgt lediglich 0,01 µm/Jahr und gewährleistet so einen reibungslosen Betrieb der Schaltkreise während der gesamten 15-jährigen Lebensdauer des Satelliten. Strahlenschutzbeschichtungen schützen vor hochenergetischen Teilchen. Eine Polyimidbeschichtung mit Bor oder Blei wird auf die Leiterplattenoberfläche aufgetragen, um Gammastrahlen und Protonen im Weltraum zu absorbieren und so Strahlenschäden an den Schaltkreisen zu verhindern.
Kontrolle von Leichtbau und Festigkeit
Die Herstellung von Leiterplatten für die Luft- und Raumfahrt erfordert Präzision im Mikrometerbereich; selbst geringfügige Defekte können sich in extremen Umgebungen zu fatalen Ausfällen ausweiten.
Die hochpräzise Laminierung gewährleistet die strukturelle Stabilität. Die Laminierungstoleranz von Mehrlagen-Leiterplatten muss innerhalb von ±5 µm liegen, um Spannungsspitzen durch Fehlausrichtungen zwischen den Lagen zu vermeiden. Ein Vakuum-Heißpressverfahren verbindet Substrat und Verstärkungsmaterialien perfekt und erreicht eine Schälfestigkeit zwischen den Lagen von ≥1,5 N/mm – das 1,5-Fache herkömmlicher Leiterplatten. Das UV-Laserschneiden von Leiterbahnen und Durchkontaktierungen ermöglicht eine Genauigkeit von ±2 µm und somit die Herstellung von 0,05 mm Mikro-Durchkontaktierungen auf einem 0,1 mm dicken Substrat. Dies reduziert den Materialverbrauch bei gleichbleibender Leiterbahndichte.
Die Prüfung von Leiterplatten für die Luft- und Raumfahrt ist ein strenger Test, der die extremen Umgebungsbedingungen ihres gesamten Lebenszyklus simuliert, vom Start bis zum Betrieb im Orbit:
Die Vibrations- und Schockprüfung simuliert einen Raketenstart: 10 Stunden Vibration bei Frequenzen von 10–2000 Hz (20 g Beschleunigung), gefolgt von einem Schocktest mit 1000 g (1 ms Dauer). Die Leiterplatte muss frei von Rissen und Lötstellenverlusten sein.
Die Temperaturwechseltests decken den extremen Temperaturbereich des Weltraums ab: 1000 Zyklen von -150 °C bis 120 °C, wobei jeder Zyklus 30 Minuten dauert und die Widerstandsänderung ≤ 51 TP4T betragen muss. Herkömmliche Leiterplatten werden bei -100 °C spröde und reißen, während Leiterplatten für die Luft- und Raumfahrt dank der Frostbeständigkeit des PI-Substrats ihre Robustheit beibehalten.
Das Verhältnis von Gewicht zu Festigkeit ist eine wichtige Kennzahl: Leiterplatten für die Luft- und Raumfahrt müssen eine "spezifische Festigkeit" (Festigkeit/Gewicht) von ≥200 N·m/kg aufweisen, im Vergleich zu nur 50 N·m/kg bei herkömmlichen Leiterplatten.
