Herstellung von Leiterplatten für medizinische Anwendungen
Vom Entwurf bis zur Montage
Medizinische Leiterplatten (PCB) sind eine spezielle Art von Leiterplatten, die in der Medizintechnik eingesetzt werden. Mit dem Wandel des chinesischen Gesundheitswesens von der traditionellen chinesischen Medizin hin zur westlichen Medizin ist der Bedarf an medizinischer Elektronik drastisch gestiegen. Dies hat die Entwicklung der Fertigungs- und Montagetechnologie für medizinische Leiterplatten in China vorangetrieben und RICH PCBA zu einem zuverlässigen Hersteller von Leiterplatten für medizinische Geräte gemacht. Die von RICH PCBA produzierten medizinischen Schaltungen finden breite Anwendung in einer Vielzahl medizinischer Geräte, darunter Ultraschallgeräte, Patientenüberwachungssysteme, medizinische Bildgebungssysteme und andere Geräte, die eine präzise und zuverlässige elektronische Steuerung erfordern. Diese Leiterplatten spielen eine entscheidende Rolle bei der Steuerung und Regelung der elektronischen Funktionen medizinischer Geräte.
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Suchen Sie einen erstklassigen Hersteller von Leiterplatten/PCBAs für medizinische Anwendungen? Dann sind Sie bei RICH PCBA genau richtig. Da medizinische Elektronik mit der menschlichen Gesundheit in Verbindung steht, muss sie strengste Sicherheits- und Zuverlässigkeitsstandards erfüllen. Darüber hinaus erfordern implantierbare medizinische Elektronikkomponenten eine höhere Genauigkeit und Stabilität. Daher müssen sie so konstruiert sein, dass sie den rauen Bedingungen im medizinischen Umfeld standhalten. Dies erfordert umfangreichere Tests im Herstellungsprozess und die Sicherstellung der Lötqualität während der Montage.
● Schnelle Bearbeitungszeit
● Schlüsselfertige Leiterplattenbestückung
● Halbschlüsselfertig
● BGA-Baugruppe
● Prototyping
● Serienfertigung
● Günstig
● China
Welche medizinischen elektronischen Leiterplatten wurden hergestellt?
Seit dem Ausbruch der COVID-19-Pandemie ist die weltweite Nachfrage nach medizinischer Elektronik weiterhin hoch. In diesem Umfeld hat RICH PCBA zahlreiche Anfragen aus der Medizinbranche erhalten. Derzeit fertigen wir hauptsächlich Leiterplatten für elektronische Stirnthermometer. Wir produzieren jedoch auch Leiterplatten für andere medizinische Geräte wie CT-Scanner, OP-Leuchten und eine Reihe weiterer Produkte. Nachfolgend einige Beispiele für Leiterplatten für medizinische Produkte, die wir unseren Kunden anbieten können:
● Herzschrittmacher
● Defibrillatoren
● Atemschutzgeräte
● Pflegemonitor
● Elektrischer Rollstuhl
● Digitale Ernährungspumpen
● MRT-Geräte
● Patientenfinder
● Cochlea-Implantate
● Scantechnologie
● Steuerungssysteme
● Insulinpumpen
Herstellung von Leiterplatten für medizinische Anwendungen
Schritt 1: Bildgestaltung
In diesem Schritt wird die Fabrik für die Herstellung medizinischer Leiterplatten in den Prozess einbezogen und verwendet einen Plotterdrucker, um die Konstruktionsdateien für die Leiterplatten in Filme umzuwandeln, die als Fotonegative des Schaltplans dienen.
Beim Bedrucken der Leiterplatte weisen die inneren Schichten zwei Tintenfarben auf:
● Schwarze Tinte stellt die Kupferleiterbahnen und Schaltkreise auf der Leiterplatte dar.
● Transparente Tinte stellt, wie die Glasfaserbasis, die nichtleitenden Leiterplattenteile dar.
Die äußere Schicht besteht aus:
● Kupferbahnen, die durch transparente Tinte sichtbar gemacht werden.
● Der Bereich, in dem das Kupfer weggeätzt wird, ist mit schwarzer Tinte markiert.
Schritt 2: Bedruckte Kupferschicht der inneren Schicht
Dieser Schritt umfasst die Herstellung der inneren Schaltkreise für medizinische Leiterplatten, um leitfähige Verbindungen auf den verschiedenen Lagen herzustellen. Bei komplexeren, mehrlagigen medizinischen Leiterplatten muss dieser Schritt wiederholt werden, bis alle inneren Schaltkreise gedruckt und geätzt sind. Abschließend werden sie ausgerichtet und laminiert, um eine vollständige innere Lage zu bilden. Die einzelnen Arbeitsschritte sind wie folgt:
1. Kupferschichten auf jede Seite des Glasfasersubstrats laminieren.
2. Richten Sie eine dünne Folie an den Kupferschichten aus und legen Sie sie darauf.
3. Verwenden Sie ultraviolettes (UV-)Licht, um das darunter liegende Kupfer auszuhärten und zu schützen.
4. Mit einer chemischen Lösung wird die Leiterplatte entwickelt. Dabei wird nicht ausgehärtete transparente Tinte entfernt, sodass Kupferleiterbahnen und Schaltkreise zurückbleiben.
5. Ätzen Sie überschüssige Kupferfolie ab. Verwenden Sie dazu schwarze Tinte auf der Folie, um sicherzustellen, dass nur Kupfer in unerwünschten Bereichen weggeätzt wird.
Schritt 3: Verschiedene Schichten kombinieren
Nachdem alle notwendigen inneren Lagen geätzt, bedruckt und laminiert wurden, um eine optimale Reinheit zu gewährleisten, müssen die verschiedenen Lagen zu einer kompletten Leiterplatte zusammengefügt werden. Dazu werden die inneren Lagen durch Bohren verbunden. Die meisten Hersteller verwenden hierfür herkömmliches CNC-Bohren, was für medizinische Leiterplatten mit hohen Präzisionsanforderungen jedoch unter Umständen nicht ausreicht.
Nehmen wir beispielsweise Leiterplatten für medizinische Herzschrittmacher. Selbst typische Geräte weisen oft über hundert Bohrungen auf, von komplexeren Instrumenten ganz zu schweigen. Die Fertigungszeit ist nur ein Aspekt der Herausforderung; noch kritischer ist, dass bereits geringfügige Abweichungen zu Montagefehlern führen können.
Um dieser Herausforderung zu begegnen, setzt RICH PCBA optische Bohrmaschinen und Laserbohrverfahren für präzise Bohrungen ein. Dabei werden Stifte durch Ausrichtungslöcher geführt, um die inneren und äußeren Lagen auszurichten und so die Wirksamkeit der Durchsteckmontage (PTH) bei der Leiterplattenbestückung zu gewährleisten.
Schritt 4: Abbildung der äußeren Schicht
Die Belichtung der äußeren Schicht ist ein entscheidender Schritt im Leiterplattenherstellungsprozess. Ein weiterer Fotolack wird auf die Leiterplatte für medizinische Anwendungen aufgetragen. Dabei wird ein Bild des Leiterplattendesigns auf die Kupferschichten der Außenseite der Platine übertragen. Für die Belichtung wird der Fotolack jedoch nur auf die äußere Schicht aufgetragen. Der Prozess findet in einem Reinraum statt.
Der Bildgebungsprozess beginnt mit der Reinigung der Kupferoberfläche, um sicherzustellen, dass keine Verunreinigungen vorhanden sind, die die Bildübertragung beeinträchtigen könnten. Nadeln fixieren die mit schwarzer Tinte bedruckten Transparentfolien und verhindern ein Verrutschen. Nach dem Auftragen eines Fotolacks wird die medizinische Leiterplatte in den Belichtungsraum gebracht. Dort härtet das UV-Licht den Fotolack aus, und der noch nicht ausgehärtete, mit schwarzer Tinte bedeckte Lack wird entfernt.
Schritt 5: Ätzen der äußeren Schicht
Bei diesem Prozess wird jegliches Kupfer, das nicht zur äußeren Schicht gehört, entfernt und eine zusätzliche Kupferschicht mittels Galvanisierung aufgebracht. Zum Schutz kritischer Kupferbereiche nach dem ersten Kupferbad wird galvanisch abgeschiedenes Zinn verwendet. Nach Abschluss des Ätzens der äußeren Schicht kann die Leiterplatte einer AOI-Prüfung unterzogen werden, um sicherzustellen, dass auch medizinisch-ästhetische Leiterplatten mit komplexen Schaltungen die erforderlichen Spezifikationen erfüllen.
Schritt 6: Lötstopplack und Siebdruck
Nach Abschluss der Leiterplattenfertigung wird eine Lötstoppmaske aufgebracht, um die äußere Schicht der medizinischen Leiterplatte zu schützen und Details wie Firmenkennung, Herstellerlogos, Symbole, Bauteilbezeichnungen, Pinbelegungen und andere wichtige Markierungen oder Merkmale im Siebdruckverfahren anzubringen. Der Prozess umfasst:
1. Reinigung der medizinischen Leiterplatte, um jegliche Verunreinigungen zu entfernen.
2. Auftragen von Epoxidharztinte und Lötstopplackfolie auf die Oberfläche der Leiterplatte.
3. Belichtung mit UV-Licht zum Aushärten der Bereiche in der Lötstopplackschicht, in denen kein Löten erforderlich ist.
4. Entfernen der Bereiche, die nicht maskiert werden müssen, und Einlegen der Platine in einen Ofen, um die Lötstopplackschicht zu verfestigen.
5. Verwendung eines Tintenstrahldruckers zum direkten Drucken von Informationsdetails auf die Tafel.
Schritt 7: Oberflächenveredelung
Je nach Bedarf des Kunden kann es erforderlich sein, die fertige medizinische Leiterplatte mit einer Oberflächenveredelung zu versehen. Dabei wird eine Schicht aus leitfähigem Material auf die Oberfläche der Platine aufgebracht.
Medizinische Leiterplattenbestückung
Schritt 1: Lötpasten-Schablonieren
Das Auftragen der Lötpaste mittels Schablonen ist der erste Schritt bei der Leiterplattenbestückung. Dabei wird eine Leiterplattenschablone verwendet, um die Platine so abzudecken, dass nur der Bereich sichtbar ist, auf dem die Bauteile montiert werden. Dies erleichtert das gezielte Auftragen der Lötpaste auf die Bereiche der Platine, in denen die Bauteile platziert werden.
Eine mechanische Vorrichtung fixiert die Platine und die Lötschablone, um diesen Vorgang zu ermöglichen. Anschließend wird die Lötpaste mit einem Applikator an den vorgegebenen Stellen aufgetragen. Die Lötpaste wird gleichmäßig auf alle freiliegenden Bereiche verteilt. Nach diesem Schritt wird die Schablone entfernt, und die Lötpaste verbleibt an den vorgesehenen Stellen.
Schritt 2: Ein Spiel namens „Auswählen und Platzieren“
Viele medizinische Elektronikgeräte werden entweder in den menschlichen Körper implantiert oder an empfindlichen Organen getragen. Wenn diese Geräte Fehlfunktionen aufweisen, beispielsweise durch Kurzschluss oder Durchbrennen, können sie dem Patienten Folgeschäden zufügen. Daher ist es unerlässlich, die Komponenten mithilfe präziser Geräte exakt an den vorgesehenen Positionen zu platzieren.
Implantierbare medizinische Elektronik, wie Cochlea-Implantate und künstliche Augäpfel, enthält typischerweise viele elektronische Bauteile. Kleinere Geräte stellen jedoch Herausforderungen beim Bestückungsprozess dar und erschweren die Einhaltung der Präzision. Um die für die Leiterplattenbestückung von Cochlea-Implantaten erforderliche hohe Genauigkeit zu erreichen, setzt RICH PCBA Robotertechnik ein. Die Roboter sind für das Aufnehmen und Bestücken der Leiterplatten mit SMD-Bauteilen verantwortlich und gewährleisten so deren präzise Platzierung auf der Lötpaste.
Schritt 3: Reflow-Löten
Das Reflow-Lötverfahren dient der Verstärkung der Verbindungen zwischen Leiterplatte und elektronischen Bauteilen. Dazu wird die Leiterplatte mithilfe eines Förderbandes durch einen großen Reflow-Ofen transportiert. Die Lötpaste wird durch Erhitzen der Leiterplatte auf etwa 2500 Grad Celsius geschmolzen. Nach dem Erhitzen im Ofen durchläuft die Leiterplatte mehrere Kühlstationen, die die Lötpaste abkühlen und aushärten lassen. Dies führt zu festen Verbindungen zwischen den elektronischen Bauteilen und der Leiterplatte.
Es ist wichtig zu beachten, dass bei doppellagigen medizinischen Leiterplatten die Schablonier- und Reflow-Prozesse in einer bestimmten Reihenfolge durchgeführt werden. Die Seite der Platine mit weniger und besser handhabbaren elektrischen Bauteilen wird zuerst bearbeitet.
Schritt 4: Test der Leiterplattenbestückung im medizinischen Bereich
Wir legen großen Wert auf Präzision, Zuverlässigkeit und die kritische Bedeutung medizinischer Leiterplatten. Daher ist es von größter Wichtigkeit, zuverlässige Hersteller und exzellente PCBA-Fertigungsstätten zu finden und deren ISO 13485-Zertifizierung sicherzustellen. Selbst wenn diese Kriterien erfüllt sind, ist eine Überprüfung der PCB-Testdienstleistungen unerlässlich.
Zusätzlich zu den manuellen Prüfungen, die während des gesamten Produktionsprozesses, einschließlich SPI und AOI, durchgeführt werden, erfolgt im letzten Schritt der Montage medizinischer Leiterplatten ein Funktionstest. Dadurch wird sichergestellt, dass die Hauptplatine wie erwartet funktioniert und die hohen Standards der Medizintechnik erfüllt.
Nach Abschluss der Tests wird die Leiterplatte gründlich gereinigt, um mögliche Rückstände wie Öl, Lötflussmittel oder andere Verunreinigungen zu entfernen. Je nach Anwendungsfall können Kunden aufgrund der spezifischen Produktanforderungen zudem spezielle Verfahren für die Herstellung medizinischer Leiterplattenbestückungen benötigen, beispielsweise sterile Handhabung.
Hochwertige medizinische Leiterplatten
Hochdichte Vernetzung
Die Hochdichte-Verbindungstechnik (High-Density Interconnect, HDI) ist eine der Kerntechnologien für die Herstellung moderner Leiterplatten in der Medizintechnik. Ziel ist es, mehr elektronische Bauteile und Verbindungen auf begrenztem Raum unterzubringen. Eine mit dieser Technologie gefertigte Leiterplatte wird als HDI-Leiterplatte bezeichnet. Aufgrund der komplexen Fertigungsprozesse, wie z. B. feinste Leiterbahnen, Blind- und Buried-Vias, können HDI-Leiterplatten zwar teuer sein, die Investition lohnt sich jedoch.
In der Telemedizin sind Signalverzögerungen und -unterbrechungen absolut inakzeptabel. Selbst geringfügige Abweichungen von nur 0,1 Sekunden können lebensbedrohlich sein. Medizinische HDI-Leiterplatten gewährleisten eine schnelle Signalübertragung und minimieren verschiedene Reaktionsprobleme. Durch gezielte Design- und Konstruktionsverbesserungen können diese hochdichten Leiterplatten zudem unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen und Rauschen werden. Dies lässt sich beispielsweise durch eine optimierte Massefläche, Zwischenlagenabschirmung und EMI-Filterung erreichen.
Aktuell profitieren die meisten medizinischen CT-Scanner und multimodalen physiologischen und elektrokardiographischen (EKG) Monitore von den echten Gleitkomma-Eingängen, die durch HDI PCB ermöglicht werden.
Flexibel
Die Medizinbranche hat aufgrund ihrer Vorteile wie Miniaturisierung, Designfreiheit und Flexibilität eine erhebliche Nachfrage nach flexiblen Leiterplatten. Diese Eigenschaften erfüllen die Anforderungen medizinischer Geräte an leichte, kompakte und zuverlässige Lösungen.
Medizinische Elektronikprodukte müssen den rauen Bedingungen im menschlichen Körper standhalten und gleichzeitig hohe Zuverlässigkeit und elektrische Leistung bieten. Flexible Leiterplatten sind daher die ideale Wahl für solche Anwendungen. Sie bestehen typischerweise aus dünnen und flexiblen Materialien wie Polyimid oder Polyester und lassen sich biegen, falten oder verdrehen, um sich an enge Stellen oder komplexe Formen anzupassen. Darüber hinaus können flexible Leiterplatten Temperaturschwankungen ausgleichen, Wasserdichtigkeit gewährleisten, Sterilität erhalten und mehrfach wiederverwendet werden.
Verschiedene medizinische Geräte, darunter Herzschrittmacher, Defibrillatoren, Neurostimulatoren, Ultraschallgeräte, Endoskope und viele mehr, nutzen flexible Schaltkreise als Kernkomponenten.
Mehrschichtstruktur
Im Gegensatz dazu bieten starre Leiterplatten eine zuverlässigere interne Struktur als flexible Leiterplatten, da die Hersteller die Bauteile auf einer stabileren Plattform platzieren können. Da sie sich jedoch nicht falten lassen, bieten sie möglicherweise nicht den Vorteil der Miniaturisierung und sind daher auf die Vorteile von Mehrlagenstrukturen angewiesen, um mehr Bauteile unterzubringen.
In vielen hochwertigen Medizinprodukten finden sich starre Leiterplatten. Dazu gehören Operationsroboter, Röntgengeräte, MRT-Geräte, Elektrokardiographen und Chemotherapiepumpen. Die meisten Hersteller medizinischer Geräte setzen für solche Anwendungen auf mehrlagige Leiterplatten. Als Materialien für diese Leiterplatten werden unter anderem Glasfaser-Epoxidharz, Aluminium und Keramik verwendet.
Strenge medizinische Leiterplattenprüfung
Der Entwicklungsprozess für Medizinprodukte umfasst zusätzliche Aspekte und Anforderungen, die über die üblicherweise für die Herstellung unkritischer Leiterplatten erforderlichen hinausgehen. Medizinische Geräte werden deutlich umfangreicher getestet als andere Arten von Leiterplatten. Dies liegt vor allem an den strengen Prüfauflagen der Aufsichtsbehörden; darüber hinaus sind häufig auch Funktions- und Produktionstests notwendig. Die für Medizinprodukte erforderlichen behördlichen Prüfungen lassen sich im Allgemeinen in zwei Hauptkategorien einteilen:
● Medizinische Geräte, die entweder Energie auf einen Patienten übertragen oder von diesem aufnehmen oder die auf einen Patienten übertragene oder von diesem aufgenommene Energie erfassen, stehen im Mittelpunkt der IEC-Norm 60601-1.
● Medizinische Geräte, die nicht direkt mit einem Patienten verbunden sind, wie z. B. Laborgeräte, fallen unter die IEC 61010-1.
Die vorangegangenen Informationen verdeutlichen die Expertise von RICH PCBA in der Herstellung und Bestückung von Leiterplatten für medizinische Anwendungen. Sollten Sie von unserer Kompetenz überzeugt sein, zögern Sie bitte nicht, uns per E-Mail zu kontaktieren. Wir werden Ihre Anfrage umgehend beantworten und Ihnen ein kostengünstiges Angebot für bestückte Leiterplatten unterbreiten.
Schwerpunkt des Projekts
Die Zuverlässigkeit medizinischer Leiterplattenanwendungen ist von entscheidender Bedeutung, unabhängig davon, ob sie im Operationssaal oder im Labor eingesetzt werden. Fehlfunktionen oder fehlerhafte Arbeitsweisen sind im medizinischen Bereich inakzeptabel. Daher sind die folgenden Vorgehensweisen für die Herstellung von Leiterplatten für medizinische Geräte unerlässlich:
● Bei der Leiterplattenentwicklung sollten die spezifischen Anforderungen des Medizinprodukts berücksichtigt werden, einschließlich der Bauteilanzahl, der Platinengröße und der Anforderungen an das Wärmemanagement.
● Für eine erfolgreiche Platine ist es unerlässlich, die Bauteile sorgfältig zu positionieren und die Leiterbahnen korrekt zu führen.
● Die Auswahl der Komponenten ist entscheidend für die Herstellung zuverlässiger Medizinprodukte. Es ist wichtig, die besten Komponenten zu finden, die die spezifischen Anforderungen des Medizinprodukts erfüllen und zuverlässig, langlebig und langlebig sind.
● Wählen Sie eine professionelle Fabrik für die Bestückung medizinischer Leiterplatten oder ein Unternehmen mit Erfahrung im Gesundheitswesen und einem guten Ruf, um die Qualität der Leiterplattenbestückung sicherzustellen.
● Die Verwendung von bleifreier Leiterplattenbestückung gilt als effiziente Praxis, und die Auswahl eines Unternehmens, das sich der Nachhaltigkeit verschrieben hat, kann Ihrem Projekt unerwartete Vorteile bringen.
● Die Reinigung von Leiterplatten ist in der Medizinelektronik besonders wichtig. Während die Reinigung üblicherweise dazu dient, Kurzschlüsse durch Oberflächenverschmutzungen während des Gebrauchs zu vermeiden, können Reinigungsmittelrückstände in medizinischen Geräten Patienten schaden.
● Die bestückten Leiterplatten müssen einer gründlichen Prüfung und Tests unterzogen werden, um sicherzustellen, dass sie die erforderlichen Standards für Zuverlässigkeit, Leistung und Sicherheit erfüllen.
● Um sicherzustellen, dass elektromagnetische Störungen (EMI) die medizinische Leiterplatte nicht beeinträchtigen, sollten Ingenieure verschiedene EMI-Normen konsultieren.