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Fallstudie: Gehäuse für Achszähler-Sensor an der Gleisseite
In einem Eisenbahnsignalysationssystem verwendet ein Achszähler Gleisseiten-Sensoren, um vorbeifahrende Räder zu detektieren und festzustellen, ob ein Streckenabschnitt belegt oder frei ist. Die PCBA in diesem Projekt befindet sich am Anfang dieses Prozesses, wo eine zuverlässige Raderkennung und Signalverarbeitung unerlässlich sind.
PCBCool Wir haben kürzlich eine PCBA für einen Raderkennungssensor an der Strecke für dieses Achszählsystem entwickelt. Wir haben das Projekt als repräsentative Fallstudie ausgewählt, um zu zeigen, wie es von der Prototypenentwicklung bis zum anschließenden Produktionsprogramm fortgeschritten ist.
Hinweis: Diese Fallstudie wird mit Zustimmung des Kunden veröffentlicht und wurde vor der Veröffentlichung vom Kunden geprüft.
Projekt Hintergrund
The customer is an independent European subsidiary of a global rail technology group founded in 1938, with more than 50,000 employees worldwide. The group supplies railway infrastructure and signalling equipment, including axle-counting systems, track circuits, railway signals, and point-control systems, to major rail operators across Europe.
For this project, the customer selected PCBCool’s turnkey service. The cooperation began with 20 assembled prototypes and later expanded into a rolling program of 800 PCBAs, covering eight related board variants used within the same signalling system.
Leiterplattenspezifikationen
| Parameter | Spezifikation |
|---|---|
| Leiterplattendesign | 6-lagiges PCB, entworfen in Cadence Allegro 25.1 |
| Vorstandsformat | Lange, schmale Sensoreinplatinenplatine an der Gleisseite mit Anschlussflächen an beiden Enden |
| Grundmaterial | High-Tg FR-4, Tg ≥170°C |
| Enddicke | 1,6 mm typisch |
| Kupfergewicht | 1 Unze äußere Schichten; 0,5–1 Unze innere Schichten |
| Oberflächenbeschaffenheit | ENIGMA |
| Mindestspur / Freiraum | 5 mil / 5 mil (0,127 mm) |
| Mindestbohrgröße | 0,2 mm |
| Bohrtoleranz | ±0,05 mm |
| Sonderverfahren | Via-in-Pad und Impedanzkontrolle |
Eisenbahn-Konstruktionsreferenzen
| Standard | Anwendung |
|---|---|
| EN 50125 | Umgebungsbedingungen für Eisenbahnausrüstung |
| EN 50121 | Eisenbahnelektromagnetische Verträglichkeitsanforderungen |
| EN 50155 | Anforderungen an elektronische Geräte als Referenz für das Projektdesign |
Hauptstücklistenkomponenten
| Funktion | Komponente |
|---|---|
| MCU | ST STM32U073RCI6 |
| Abwärtswandler | TI TPS62840DLC |
| Magnetsensor | TI TMAG5170A2-Q1 3D Hall-Effekt-Sensor |
| Temperatur- und Feuchtigkeitssensor | TI HDC3022QDEFRQ1 |
| Ebenenübersetzer | TI TXU0104RUTR 4-Bit Pegelwandler |
| Schutzschaltung | Littelfuse SC3051-04HTG TVS-Array |
| Uhr | Abracon 32.768 kHz Kristall |
| Kondensatoren | Murata Kondensatoren 4,7 µF, 10 µF und 100 nF |
| Induktor | 2,2 µH Induktivität |
| Widerstände | Vishay Widerstände |
| Stücklistengröße | 16 Positionen |
Montageanforderungen
| Parameter | Anforderung |
|---|---|
| Komponentenbeschaffung | 100% – Beschaffung von schlüsselfertigen Komponenten |
| Montageprozess | SMT-Bestückung, including BGA, QFN, and other leadless packages |
| Schutzbeschichtung | Schutzlackierung für den Umweltschutz des Gleisumfeldes |
| Verbindermontage | Selektives Wellenlöten für Steckverbinder mit Durchgangslöchern |
| Inspektion | AOI und Röntgeninspektion |
| Testen | Elektrische Prüfung vor dem Versand |
Projektherausforderungen
Die Schwierigkeit dieses Projekts lag nicht in einer einzelnen technischen Spezifikation, sondern in mehreren gleichzeitig auftretenden Einschränkungen.
The board used a 6-layer construction with via-in-pad structures and 5 mil trace and space. Together, these features required a level of process control approaching HDI production and increased the manufacturing risk. Because some vias were located directly within component pads, any solder loss into the via or unevenness on the pad surface could affect component seating and solder-joint consistency. With an initial order of only 20 boards, there was also little yield buffer.
Die 16-zeilige Stückliste (BOM) stellte eine zusätzliche Herausforderung bei der Beschaffung dar. Sie enthielt automobilqualifizierte Sensoren und mehrere Komponenten mit begrenzter oder unsicherer Verfügbarkeit. Jedes Teil musste die genehmigte Spezifikation erfüllen, rückverfolgbar bleiben und rechtzeitig für die Montage eintreffen. Die Komponentenbeschaffung war daher keine separate administrative Aufgabe, sondern wurde Teil des Produktionsplans selbst.
Die Prototypen mussten zudem innerhalb des vom Kunden vorgegebenen Inbetriebnahmezeitfensters eintreffen. Kurzfristige Projekte mit geringen Stückzahlen leiden oft unter längeren Vorlaufzeiten und Aufschlägen für Kleinserien, insbesondere wenn Leiterplattenfertigung und Bestückung von unterschiedlichen Lieferanten durchgeführt werden.
This was the model the customer was really testing:
Whether one partner could manage high-reliability manufacturing, low-volume production, and fast turnaround without dividing PCB fabrication and assembly between separate vendors.
Ingenieurtechnische Lösung
Nach Überprüfung dieser Herausforderungen hat unser Ingenieurteam folgende Maßnahmen ergriffen:
- Für Via-in-Pad
The vias located within component pads were filled, planarized, and plated over. Filling closed the path that could otherwise draw solder into the hole during Reflow-Löten, while planarization and plating restored a flat surface for component soldering.
- Für Fine-Line
Direct imaging was used for the 5 mil trace-and-space pattern instead of conventional film exposure, reducing registration variation caused by phototool movement or dimensional change. Vacuum-assisted etching improved the circulation of etchant across the panel and reduced solution pooling, helping maintain the intended conductor width and spacing.
- Für die Beschaffung von Komponenten
Alle 16 Stücklistenpositionen wurden über autorisierte, nachvollziehbare Kanäle bezogen und mit den genehmigten Herstellernummern und Paketvorgaben abgeglichen. Die Beschaffung begann parallel zur Leiterplattenfertigung, damit die Komponentenverfügbarkeit den Montagezeitplan nicht verzögert.
- Für die PCBA-Bestückung
Das Board kombinierte im zentralen Sensorbereich feinstrukturierte bleifreie Bauteile mit großen Anschlussflächen an beiden Enden. Daher wurden Bestückungs- und Lötprofilparameter so geplant, dass beide Bauteiltypen im selben Produktionsfluss berücksichtigt werden konnten. Nach Abschluss der Montage wurden die Boards direkt zur Inspektion und Prüfung weitergeleitet, ohne an einen separaten Zulieferer übergeben zu werden.
Bemühungen in der Qualitätssicherung
Qualitätskontrollen wurden in jeder Projektphase durchgeführt und nicht erst nach der Montage:
| Tor | Fokus | Schlüsselprüfungen |
|---|---|---|
| IQC | Materialien und Komponenten |
|
| IPQC | Fertigung und Montage |
|
| OQC | Fertig PCBA |
|
Für dieses Projekt war die Röntgeninspektion zwingend erforderlich, da die Lötstellen der bleifreien Bauteile unter dem Gehäuse verborgen waren.
Abschließende Gedanken
Der 20-teilige Prototyp bewies mehr als nur, dass die Platine gebaut werden konnte. Er zeigte, dass PCBCool das Projekt zuverlässig genug managen konnte, um das Vertrauen des Kunden zu erhalten und Folgeaufträge zu generieren.
Wenn Sie einen echten Fertigungspartner suchen – nicht nur einen Lieferanten für eine einzelne Bestellung –, ziehen Sie PCBCool für die Unterstützung von der Prototypenentwicklung bis zur wiederholten Produktion in Betracht.
Häufig gestellte Fragen
Nicht immer. Vias, die sich innerhalb von aktiven Lötflächen befinden, werden typischerweise gefüllt, während thermische Vias je nach Bestückungsdesign andere Behandlungen erfahren können.
Die Hauptrisiken umfassen Lötstutzenbildung, Oberflächenverformung, unvollständige Füllung und schlechte Pad-Ebenheit.
A: Nein. Eine 0,2 mm Vias wird oft mechanisch gebohrt. Gemäß den IPC-Richtlinien sind Mikrovias, die in HDI-Strukturen verwendet werden, im Allgemeinen auf einen Durchmesser von 150 µm oder weniger begrenzt.
Bildregistrierung, Kupferdicke, Ätzgleichmäßigkeit und endgültige Leiterabmessungen erfordern eine engere Kontrolle, da geringe Abweichungen einen großen Teil der verfügbaren Prozessreserve aufbrauchen können.
A: Die direkte Abbildung reduziert registrierungsbedingte Variationen, die mit physischen Fotowerkzeugen verbunden sind, und ermöglicht eine bessere Kontrolle von feinen Strukturen über die gesamte Produktionsplatte hinweg.
Es verbessert den Ätzmittelwechsel über die gesamte Platine, reduziert die Lösungspoolbildung und ungleichmäßige Seitenätzung und hilft, konsistentere Leiterbahnbreiten und -abstände aufrechtzuerhalten.
A: Das Review sollte die Via-in-Pad-Behandlung, Ringweiten und Bohrungstoleranzen, Kupfer-zu-Randabstand, Feinleiterfähigkeit, Pad-Geometrie, Lötmaskenöffnungen, Stapelung und Testzugang abdecken.
Andy ist ein erfahrener Profi aus der Leiterplattenindustrie mit jahrzehntelanger Erfahrung in der Leiterplattenfertigung, -montage und im Kundensupport. Bei PCBCool leitet er das Marketingteam und hilft dabei, praktische Projekterfahrungen in nützliche technische Inhalte für Ingenieure, Einkäufer und Produktentwickler umzuwandeln.
