In modernen Schienenverkehrssystemen ist Sicherheit ein unerschütterlicher Eckpfeiler. Die Übertragung jedes Signals und der Belegungsstatus jedes Gleisabschnitts wirken sich direkt auf das Leben Tausender von Passagieren aus. Als Kernausrüstung für die Zugbelegterkennung und Blockabschnitte ist die Zuverlässigkeit des Achszählsystems von größter Bedeutung, und die Realisierung all seiner Funktionen hängt von einer hochleistungsfähigen, hochzuverlässigen Leiterplatte ab – der Achszähler-Leiterplatte. Diese Leiterplatte ist nicht nur ein Träger für elektronische Komponenten, sondern auch das „Nervenzentrum“, das den sicheren Betrieb von Zügen gewährleistet. Die Highleap PCB Factory (HILPCB) versteht als Experte im Bereich Transport-Leiterplatten die strengen Anforderungen an Achszähler-Leiterplatten in extremen Umgebungen genau und engagiert sich für die Bereitstellung von Fertigungs- und Montagelösungen, die den höchsten Sicherheitsstandards (wie SIL4) entsprechen.

Kernfunktionen und Sicherheitsanforderungen der Achszähler-Leiterplatte

Die Achszähler-Leiterplatte ist der elektronische Kern des Achszählsystems. Ihre Hauptfunktion besteht darin, Signale von Gleissensoren präzise zu verarbeiten, um die Passage von Zugachsen zu erkennen. Durch das Zählen der Achsen am Ein- und Ausgang eines Gleisabschnitts kann das System genau bestimmen, ob der Abschnitt von einem Zug belegt ist. Diese scheinbar einfache Funktion stellt extrem hohe Sicherheitsanforderungen an das Design und die Herstellung der Leiterplatte. Erstens ist das Achszählsystem ein ausfallsicheres Gerät. Das bedeutet, dass das System in jedem vorhersehbaren Fehlerfall auf die sichere Seite umschalten muss, d.h. die Strecke als „belegt“ anzeigen muss, um zu verhindern, dass nachfolgende Züge einfahren. Dies erfordert, dass die Leiterplatte in ihrem Schaltungsdesign Redundanz- und Selbstdiagnosefähigkeiten besitzt, wie z.B. die Einführung von zweikanaligen oder dreikanaligen redundanten Architekturen und die Fähigkeit, den Zustand kritischer Schaltkreise in Echtzeit zu überwachen.

Zweitens müssen Achszählsysteme typischerweise den höchsten Sicherheitsintegritätslevel (SIL) erfüllen, üblicherweise SIL4. Dies erfordert, dass jeder Schritt – von der Komponentenauswahl und dem Leiterplattenlayout bis hin zu den Herstellungsprozessen – streng nach nachvollziehbaren und überprüfbaren Verfahren erfolgen muss. Der Abstand zwischen den Leiterbahnen auf der Leiterplatte, die Isolationsleistung und die Beständigkeit gegen elektromagnetische Störungen (EMV) müssen akribisch entworfen und berechnet werden, um jegliches potenzielle Signalübersprechen oder externe Interferenzen zu verhindern, die zu Fehldiagnosen führen könnten. Dies teilt eine gemeinsame Designphilosophie mit CBTC-Leiterplatten (Communication-Based Train Control PCBs), die ebenfalls eine hohe Zuverlässigkeit anstreben.

Design für raue Umgebungsbedingungen gemäß EN50155-Normen

Schienenverkehrsausrüstung muss über längere Zeiträume zuverlässig in extrem rauen Umgebungen funktionieren, und die EN50155-Norm ist die Kernspezifikation für elektronische Geräte in diesem Bereich. Axle Counter PCB, als streckenseitig eingesetzte Ausrüstung, steht vor besonders großen Umweltherausforderungen.

1. Breiter Betriebstemperaturbereich: Die Ausrüstung kann extremen Temperaturen ausgesetzt sein, die von starker Kälte bis zu intensiver Hitze reichen. EN50155 definiert mehrere Temperaturklassen von OT1 bis OT6, wobei Achszähler typischerweise OT4 (-40°C bis +70°C, kurzzeitig +85°C) oder höher erfordern. Dies erfordert die Verwendung von High-Tg-Leiterplattensubstraten, um eine hervorragende mechanische und elektrische Leistung bei hohen Temperaturen zu gewährleisten und Delamination oder Verformung zu verhindern.

2. Stoß- und Vibrationsfestigkeit: Hochgeschwindigkeitszüge erzeugen intensive Stöße und kontinuierliche Vibrationen. Leiterplatten-Designs müssen diesen durch verstärkte Komponenten, optimierte Layouts und zuverlässigere Löttechniken begegnen. Zum Beispiel erfordern schwere Komponenten eine zusätzliche mechanische Fixierung, und BGA-Gehäuse benötigen Eckkleber oder Underfill-Verstärkung, um Ermüdungsbrüche der Lötstellen zu verhindern. Diese Designüberlegungen gelten auch für Traktionssteuerungs-Leiterplatten, die direkt in Zügen installiert sind.

3. Feuchtigkeits- und Korrosionsbeständigkeit: Außenluftfeuchtigkeit, Regen, Schnee und Schadstoffe stellen ernsthafte Bedrohungen für Leiterplatten dar. Daher benötigen Achszähler-Leiterplatten typischerweise eine Schutzlackierung (Conformal Coating), um einen dichten Schutzfilm zu bilden, der Feuchtigkeit, Salznebel und Staub effektiv isoliert und Kurzschlüsse oder Korrosion der Schaltung verhindert.

4. Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV): Die Bahnumgebung ist gefüllt mit komplexen Quellen elektromagnetischer Störungen, wie Hochspannungs-Fahrleitungsnetzen, Fahrmotoren und drahtlosen Kommunikationssignalen. Die Leiterplatte muss ein ausgezeichnetes EMV-Design aufweisen, einschließlich eines korrekten Multilayer-Aufbaus, robuster Masseflächen, geschirmter Signalleitungen und Filterschaltungen, um sicherzustellen, dass die Genauigkeit der Achszählsignale nicht durch Störungen beeinträchtigt wird.

Auswahl hochzuverlässiger Materialien und Fertigungsprozesse

Um Achszähler-Leiterplatten herzustellen, die rauen Bedingungen über 20 Jahre standhalten können, muss von Anfang an eine strenge Kontrolle über Materialien und Prozesse ausgeübt werden. HILPCB verfügt über umfangreiche Erfahrung in der Herstellung von Leiterplatten für den Transportbereich und hält sich an die höchsten Standards bei Materialien und Prozessen.

• Substratauswahl: Zusätzlich zu hoch-Tg FR-4 empfehlen wir für Anwendungen mit höheren Signalfrequenzen oder anspruchsvolleren Wärmemanagementanforderungen die Verwendung von verlustarmen Materialien oder Metallkern-Substraten. Der Wärmeausdehnungskoeffizient (WAK) des Materials muss mit dem der Komponenten übereinstimmen, um Spannungen während des Temperaturwechsels zu minimieren.
• Kontrolle der Kupferdicke: Die Stromversorgungs- und Signaltreiberbereiche von Achszählsystemen müssen möglicherweise hohe Ströme verarbeiten, was den Einsatz von Dickkupfer-Leiterplatten erforderlich macht. HILPCB kann die Kupferdicke präzise von 2oz bis 10oz steuern und so die Strombelastbarkeit und Wärmeleistung gewährleisten.
• Oberflächenveredelung: Chemisch Nickel/Immersionsgold (ENIG) oder Chemisch Nickel/Chemisch Palladium/Immersionsgold (ENEPIG) sind die bevorzugten Oberflächenveredelungen. Sie bieten eine ausgezeichnete Lötbarkeit und überlegene Oxidationsbeständigkeit, wodurch zuverlässige Lötverbindungen über einen langen Nutzungszeitraum gewährleistet werden – entscheidend für sicherheitsempfindliche Geräte wie Vigilance PCBs (Leiterplatten für Fahrerassistenzsysteme).
• Lötstopplack und Bestückungsdruck: Hochtemperaturbeständige, stark haftende Lötstopplacktinte wird aufgetragen, gefolgt von einer Doppelhärtung zur Verbesserung der Witterungsbeständigkeit und Isolation. Der Bestückungsdruck ist klar und langlebig, was Wartung und Rückverfolgbarkeit erleichtert.

Sicherstellung der Signalintegrität und Stromversorgungsintegrität (SI/PI)

Die von Achszählsensoren erzeugten Signale sind typischerweise sehr schwach und stark störanfällig. Daher ist das Design der Signalintegrität (SI) und der Stromversorgungsintegrität (PI) der Achszähler-Leiterplatte entscheidend.

• Impedanzkontrolle: Signalübertragungsleitungen von Sensoren zu Prozessoren müssen einer strengen Impedanzkontrolle unterzogen werden, um Signalreflexionen und -verzerrungen zu verhindern. HILPCB setzt fortschrittliche Feldsolver-Software für die Simulation und präzise Messungen mittels TDR (Time Domain Reflectometer) während der Produktion ein, um sicherzustellen, dass die Impedanztoleranz innerhalb von ±5% kontrolliert wird.
• Differenzielle Signalführung: Um die Unterdrückung von Gleichtaktrauschen zu maximieren, werden Sensorsignale typischerweise über Differenzialpaare übertragen. Während des PCB-Routings müssen gleiche Längen und Abstände der Differenzialpaare eingehalten und diese von Störquellen ferngehalten werden.
• Entkopplung der Stromversorgung: Eine stabile und saubere Stromversorgung ist die Grundlage für einen zuverlässigen Systembetrieb. Wir unterdrücken effektiv Versorgungsrauschen, indem wir ausreichend Entkopplungskondensatoren mit geeigneter Kapazität in der Nähe von Stromversorgungs-Pins platzieren und niederimpedante Stromverteilungsnetze (PDN) entwerfen. Dies ist gleichermaßen entscheidend für CBTC-Leiterplatten und Traktionskontroll-Leiterplatten, die komplexe Algorithmen verarbeiten.

Das Ingenieurteam von HILPCB bietet professionelle Unterstützung beim Design von High-Speed-Leiterplatten, von der Lagenplanung bis zu den Routing-Regeln, um eine umfassende SI/PI-Leistung zu gewährleisten.

HILPCB: Montage in Transportqualität und Tests über den gesamten Lebenszyklus

Eine qualifizierte Leiterplatte ist nur die halbe Miete. HILPCB bietet umfassende schlüsselfertige Montagedienstleistungen an und stellt sicher, dass der Montageprozess von Achszähler-Leiterplatten die höchsten Standards der Transportindustrie erfüllt.

• Komponentenbeschaffung: Wir beziehen Komponenten in Industrie- oder Automobilqualität ausschließlich von autorisierten Händlern und etablieren ein robustes Rückverfolgbarkeitssystem.
• Zuverlässiges Löten: Es werden hochzuverlässige Lötmaterialien verwendet, und die Röntgeninspektion gewährleistet die Lötqualität für komplexe Gehäuse wie BGA und QFN, wodurch kalte Lötstellen oder schlechte Verbindungen eliminiert werden. Für durchkontaktierte Bauteile, die starken Vibrationen ausgesetzt sind, werden doppelseitiges Löten oder spezielle Verstärkungstechniken angewendet.
• Umweltstress-Screening (ESS): Jede montierte PCBA durchläuft strenge ESS-Tests, einschließlich Hochtemperatur-Alterung und Temperaturwechsel, um frühzeitige Ausfälle im Voraus zu eliminieren und sicherzustellen, dass jede gelieferte Platine hohe Zuverlässigkeitsstandards erfüllt.
• Funktions- und Systemtests: Wir arbeiten eng mit Kunden zusammen, um vollständige Testumgebungen aufzubauen und 100%ige Funktionstests an PCBAs durchzuführen, um alle Betriebsmodi in realen Anwendungen zu simulieren. Ob es sich um die Lichtsteuerung von Zugbeleuchtungs-Leiterplatten oder die Anzeigefunktion von Zuganzeige-Leiterplatten handelt, wir bieten maßgeschneiderte Testlösungen.

Zukünftige Entwicklung und technologische Trends von Achszähler-Leiterplatten

Während sich der Schienenverkehr zu höheren Geschwindigkeiten und größerer Intelligenz entwickelt, stehen Achszähler-Leiterplatten vor neuen technologischen Herausforderungen und Chancen.

• Höhere Integration: Um Gerätegröße, Stromverbrauch und Kosten zu reduzieren, werden zukünftige Achszähler mehr Funktionalitäten integrieren. Dies treibt Leiterplatten in Richtung der High-Density Interconnect (HDI-Leiterplatte)-Technologie, die Mikro-Vias und vergrabene Vias für komplexere Leitungsführungen nutzt.
• Intelligenz & Vorausschauende Wartung: Achszähler-Leiterplatten mit integrierten Sensoren und Kommunikationsmodulen ermöglichen Selbstdiagnose und Zustandsüberwachung, indem sie Daten über drahtlose Netzwerke in die Cloud hochladen, um vorausschauende Wartung zu unterstützen.
• Materialinnovationen: Um höheren Frequenzen und raueren Umgebungen gerecht zu werden, werden neue Materialien und Prozesse wie Keramiksubstrate und eingebettete passive Komponenten in High-End-Leiterplatten für den Transportbereich breitere Akzeptanz finden.

HILPCB bleibt an der Spitze der Technologie und investiert kontinuierlich in Forschung und Entwicklung, um den sich entwickelnden Anforderungen zukünftiger Transportsysteme an die Leiterplattentechnologie gerecht zu werden. Ob für bestehende Vigilance-Leiterplatten oder zukünftige intelligente Traction Control-Leiterplatten, wir sind in der Lage, modernste Lösungen zu liefern.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Achszähler-Leiterplatten kritische Komponenten sind, die den sicheren Betrieb von Schienensystemen gewährleisten, wobei ihr Design und ihre Herstellung die ultimative Zuverlässigkeitsprüfung darstellen. Von der strengen Umweltanpassungsfähigkeit nach EN50155-Standard über redundante Designs der Sicherheitsstufe SIL4 bis hin zur Fertigung und Prüfung über den gesamten Lebenszyklus ist jeder Schritt entscheidend. Die Wahl eines Partners wie HILPCB mit tiefgehender Branchenexpertise und spezialisierten Fertigungskapazitäten ist eine kluge Entscheidung, um die Sicherheit, Zuverlässigkeit und langfristige Leistung Ihrer Transportsysteme zu gewährleisten.