Projektowanie

PCB dla branży kolejowej – co należy wziąć pod uwagę i co warto wiedzieć

Podczas produkcji płytek drukowanych dla przemysłu kolejowego należy wziąć pod uwagę specyficzne, zawarte m.in. w normie EN 45545-2.

© NCAB

Przemysł kolejowy nie ma odrębnych wymagań dotyczących produkcji i dopuszczalności do użycia PCB. Istnieje jednak bardzo ważny wymóg dotyczący badań odporności na płomienie – norma EN-45545-2. Dlatego mówiąc o branży kolejowej, warto odnieść się do przepisów przeciwpożarowych/dymowych, których celem jest zapewnienie bezpieczeństwa i ewakuacji pasażerów, personelu towarzyszącego oraz ewentualnych służb ratowniczych.

Ważne normy przeciwpożarowe i bezpieczeństwa

W Europie obowiązuje norma EN 45545-2 Zabezpieczenia przeciwpożarowe w pojazdach szynowych (Fire hazard protection in railway vehicles). Norma ta oczywiście współistnieje z normami krajowymi.

Zdefiniowane testy reakcji na ogień mają na celu zakwalifikowanie produktów zgodnie z ich ostatecznym zastosowaniem (urządzenia elektryczne, siedzenia, podłogi, ściany, sufity itp.) i muszą spełniać odpowiedni poziom wymagań (wymagania od R1 do R24), a dla każdego wymagania istnieje seria testów. Testy te mają na celu głównie:

● Kwalifikację palności materiałów

● Określenie, w jakiej skali materiały mogą przyczynić się do powstania pożaru

● Określenie rodzaju dymu, uwalnianego w przypadku pożaru (toksyczność i przejrzystość)

● Określenie sposobu rozprzestrzeniania się płomienia.

Można również zastosować normę EN 45545-2 uzupełnioną o STM-S-001 lub SAM-S-002. W takim przypadku uzyskuje się protokół z podaniem poziomu klasyfikacji HL1/HL2/HL3 według wymaganej normy R24/R25, ewentualnie uzupełnionej o część R22.

NCAB przetestowało następujące zestawy materiałów bazowych i masek ​​lutowniczych przez NCAB to:

FR4 Tg150 IT158TC + Taiyo PSR4000-GHP3X + AVR80BA

FR4 Tg170 S1000-2* + Taiyo PSR4000-GHP3X + AVR80BA (zielona maska ​​lutownicza)

FR4 Tg170 S1000-2M + Taiyo PSR4000-G23K (zielona maska ​​lutownicza) + AVR80BA

FR4 Tg170 EM827 + Taiyo PSR4000-GHP3X + AVR80BA

*Materiał S1000-2 może zostać w przyszłości zastąpiony przez S1000-2M.

Zgodnie z normą EN 45545-2, test obejmuje określoną grubość laminatu (w przypadku NCAB jest to 1.6 mm), markę i grubość maski lutowniczej oraz markę grubość powłoki conformal coating.

Aby zagłębić się w normę EN 45545-2, rozmawialiśmy z Vincentem Laborde, inżynierem w Leroy Automation, firmie działającej na rynku klejowym.

Cel: ochrona ludzi

Jeśli chodzi o płytki PCB dla przemysłu kolejowego, największe znaczenie ma norma EN 45545-2. Vincent Laborde wyjaśnia, dlaczego jest tak ważna dla jego klientów: ‘Klienci stosują ten standard ze względów bezpieczeństwa. Normy przeciwpożarowe i przeciw zadymieniowe istnieją w branży kolejowej od lat. Był to pierwszy środek transportu, w którym je stosowano, a standardy lotnicze były wzorowane na kolejowych. Muszą być stosowane, aby zapobiec ponownemu wystąpieniu wypadków, które miały miejsce w przeszłości a ich nadrzędnym celem jest ochrona ludzi. Czasami standardy te mogą wydawać się skomplikowane, ale ich stosowanie jest niezbędne’ W szczególności, restrykcyjne są normy odnoszące się do kabli, ponieważ stanowią one ścieżkę pożaru. Kabel zachowuje się knot, który przenosi płomień z jednego elementu na drugi i przyczynia się do rozprzestrzeniania pożaru.

‘Nasi klienci stosują normy ogniowe i przeciwzadymieniowe w odpowiedzi na wymagania operatorów pociągów, którzy mają na uwadze względy bezpieczeństwa. Źródeł pożaru może być wiele: iskra powstała podczas hamowania lub akt wandalizmu’ mówi M. Laborde. Najważniejsze parametry, które należy wziąć pod uwagę przy kwalifikacji materiału, zawarte są w normach: ‘Najważniejsza jest interakcja materiału (FR4, maski ​​lutowniczej i powłoki ochronnej). Każde z nich powstają z określonych związków chemicznych, więc można je testować w laboratorium. Nie jest to proste równanie, które można łatwo rozwiązać, jest zbyt wiele niewiadomych, aby odporność ogniową można było określić za pomocą modeli komputerowych. Norma w zależności od konkretnej części będzie określała różne poziomy wymagań’ - mówi M. Laborde.

Leroy Automation powstała w 1983 roku, jest częścią francuskiej grupy obejmującej firmy FEDD, Leroy Automation, Phoenix i Team 31, przejętej w 2021 roku przez fundusz inwestycyjny Argos. Leroy Automation projektuje, produkuje i sprzedaje produkty i komponenty automatyki dla rynków kolejowych, wojskowych i przemysłowych. Do jej klientów należą Alstom, Bombardier, RATP i SNCF.

W przypadku płytek drukowanych przekłada się to na interakcję pomiędzy zastosowanymi materiałami (na przykład materiał TG 150, maska ​​lutownicza TAIYO PSR4000 i powłoka ochronna AVR-80BA). Taka kombinacja może reagować zupełnie inaczej niż pozostałe, dlatego cała interakcja między trzema elementami musi zostać zweryfikowana.

‘10-15 lat temu nie braliśmy pod uwagę maski lutowniczej, ale widzieliśmy w wynikach, że ma ona ogromny wpływ. Trzeba ponadto wziąć pod uwagę topologię całych systemów, obejmujących kilka PCB położonych obok siebie, ponieważ mogą one przenosić ogień jedna na drugą’ mówi M. Laborde. A czy komponenty powinny być brane pod uwagę w procesie kwalifikacji? ‘Trzeba wziąć uwagę ich wagę, ponieważ poniżej 10 gramów materiału palnego komponenty nie są brane pod uwagę, ze względu na fakt, iż energia, którą wygenerują podczas spalania, będzie bardzo niska. Sam element może ważyć ponad 10 gramów, jednak zgodnie z normą sam materiał palny nie może przekroczyć tej wagi’ - mówi M. Laborde.

Vincent Laborde wyjaśnia, że ​​największym ryzykiem dla Leroy Automation w przypadku nieprzestrzegania parametrów byłoby zwarcie w jednym z jej produktów. W przypadku pożaru produkt musi być w stanie powstrzymać ogień.

‘Generalnie, testy pożarowe są podobne do tych, jakie stosuje się w przypadku testowania … pluszaków dla dzieci: pluszak wystawiony jest  na działanie płomienia przez określony czas, po którym płomień zostaje odcięty. Niedopuszczalne jest, aby materiał z którego wykonana jest zabawka nadal się paliła. Dokładnie ta sama zasada panuje w przypadku PCB. 15 lat temu pierwsze testy wypadły fatalnie, cała płytka poszła z dymem po 10 sekundach’.

‘Jeśli produkt nie spełnia normy i spowoduje pożar w pociągu, Leroy Automation zostanie pociągnięty do odpowiedzialności. Z drugiej strony, jeśli produkt spowoduje pożar w pociągu, a firma wykaże zgodność z normą EN 45545-2, nie ponosi odpowiedzialności. Pociąg jest wart kilka milionów euro, więc ryzyko dla Leroy Automation jest głównie finansowe, nie mówiąc już o życiu ludzkim, które jest bezcenne’ mówi M. Laborde.

W obliczu zagrożenia życia ludzkiego i potencjalnego ogromnego ryzyka finansowego testowanie płytek drukowanych ma ogromne znaczenie: ’Testowanie płytek drukowanych w Leroy Automation przebiega dokładnie tak samo. Leroy Automation doradził NCAB France przeprowadzenie testów we współpracy z CREPIM. Przestrzegamy kryteriów R24, R25 i R22 i staramy się ułatwić naszemu głównemu klientowi, SNCF, wypełnianie wymagań STMS. Nawet jeśli musimy przestrzegać łącznie norm EN 45145-2 i STMS 001, przeprowadzane testy są takie same: palność i toksyczność’.

Istnieje również test gorącego drutu (hot wire test), nagrzanego do 850 stopni i przytwierdzonego do płytki. Celem jest, aby PCB się nie zapaliła. Istnieje kilka poziomów zagrożenia od HL1 do HL3 (najwyższy) w zależności od trybów ewakuacji pociągów.

‘R22 nie jest już objęty normą EN 45145, ale SNCF nadal wymaga testu do pomiaru przejrzystości dymu. Jeśli pociąg musi zostać ewakuowany, a opary są gęste, ograniczona widoczność jest ważnym czynnikiem’. Istnieje też 6 poziomów toksyczności gazów. Testowanie obwodów drukowanych pod kątem łatwopalności musi przebiegać ściśle według procedur, co wymaga specjalnie wydzielonych i dostosowanych pomieszczeń i co pociąga za sobą znaczne koszty. Firma Leroy Automation znalazła na to dobre rozwiązanie: ‘Fakt, że niektórzy producenci, tacy jak NCAB, badają już interakcje materiałów, jest bardzo przydatny dla Leroy Automation, który może polegać na tych testach bez konieczności ich ponownego przeprowadzania. Nie mamy dedykowanego laboratorium do wykonywania testów w naszych obiektach, ale współpracujemy w tym zakresie z 2 niezależnymi laboratoriami: CREPIM lub LNE (Laboratoire National de Métrologie et d'Essais)’ - mówi M. Laborde.

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy NCAB.