CTI-Wert und ionische Reinheit von Leiterplatten

Zuverlässige Elektronik hängt nicht allein von korrekten Schaltplänen, Layouts und der Bestückung ab. Auch die Qualität der unbestückten Leiterplatte wirkt sich stark auf die Langzeit-Zuverlässigkeit im Feld aus. Zwei oft übersehene, aber wichtige Kenngrößen sind der CTI-Wert des Basismaterials und die ionische Reinheit der fertigen Platine. Gemeinsam tragen sie dazu bei, das Risiko von Leckströmen, Korrosion, elektrochemischer Migration und vorzeitigem Ausfall zu senken – besonders in feuchter oder kontaminierter Umgebung.

Bei Newmatik sind diese Themen relevant, weil wir nicht nur Platinen bestücken. Wir sind dafür verantwortlich, elektronische Produkte zu liefern, die unter realen Betriebsbedingungen stabil und sicher bleiben. Deshalb sind CTI und ionische Reinheit keine abstrakten Laborwerte; sie sind sinnvolle Indikatoren bei der Lieferantenauswahl, der Definition von Beschaffungsanforderungen und der Risikobewertung für anspruchsvolle Anwendungen.

Was ist der CTI-Wert?

CTI steht für Comparative Tracking Index. Er beschreibt, wie widerstandsfähig ein Isolierstoff gegen die Bildung leitfähiger Spuren auf seiner Oberfläche unter elektrischer Beanspruchung ist. Die normative Prüfmethode ist in IEC 60112 festgelegt. Dabei werden Elektroden auf dem Material platziert, eine Wechselspannung angelegt und eine leitfähige Prüfflüssigkeit auf die Oberfläche getropft. Das Ergebnis zeigt, wie gut der Stoff Oberflächenkriechpfad-Bildung (Tracking) vor dem Ausfall widersteht.

In einfachen Worten: Der CTI beschreibt, wie schwer es dem Strom fällt, sich auf der Oberfläche des Leiterplattenmaterials einen „Weg“ zu bahnen, wenn Feuchtigkeit, Verschmutzung oder Rückstände vorhanden sind. Ein anschauliches Bild ist Wasser, das langsam einen Weg über eine poröse Oberfläche findet. Je geringer der Materialwiderstand, desto leichter kann sich ein solcher Pfad ausbilden. Je höher der CTI-Wert, desto resistenter ist das Material. Das ist wichtig, weil unerwünschte Oberflächenleitung schließlich zu Isolationsversagen, Überschlägen oder karbonisierten Pfaden führen kann, die die Isolationsleistung dauerhaft mindern.

Was bedeutet ein hoher CTI-Wert?

Nach der Zusammenfassung der IEC-60112-Methode durch UL werden Isolierstoffe üblicherweise wie folgt eingeteilt:

Ein CTI-Wert über 600 gilt als sehr gut und ordnet das Material der Materialgruppe I zu – der widerstandsfähigsten Gruppe in dieser Einteilung. In der Praxis bedeutet das eine bessere Beständigkeit gegen Oberflächen-Tracking und mehr Robustheit unter ungünstigen Umgebungsbedingungen. Für höhere Spannungen oder anspruchsvollere Anwendungen kann das ein sichereres Isolationsdesign unterstützen und Zuverlässigkeitsrisiken verringern.

Gleichwohl darf der CTI nicht missverstanden werden. IEC 60112 weist ausdrücklich darauf hin, dass CTI-Ergebnisse allein nicht ausreichen, um sichere Kriechstrecken im fertigen Produkt zu bestimmen. Eine angemessene Isolationsplanung muss auch die jeweilige Gerätenorm, Betriebsspannung, Verschmutzungsgrad, Überspannungskategorie und Anforderungen an Kriechstrecken berücksichtigen, etwa nach IEC 60664-1. Ein hoher CTI-Wert ist wichtig, aber nur ein Teil des Gesamtbildes der Isolation.

Warum CTI bei der Leiterplatten-Beschaffung zählt

Bei der PCB-Beschaffung ist der CTI vor allem ein Parameter für Materialqualität und Risikomanagement. Wird eine Platine in einer Umgebung mit Feuchtigkeit, Staub, Kondenswasser oder anderem Kontaminationsrisiko eingesetzt, bietet ein besseres Basismaterial zusätzliche Sicherheitsreserven. Das ist besonders relevant für Produkte mit höheren Spannungen, geringen Abständen, langer Lebensdauer oder sicherheitsrelevanten Funktionen.

Aus betriebswirtschaftlicher Sicht kann die Vorgabe eines höherwertigen CTI-Materials versteckte Kosten später vermeiden: weniger Zuverlässigkeitsprobleme, weniger Retouren und weniger Aufwand bei Felduntersuchungen. Daher kann die Forderung nach einer definierten CTI-Klasse beim Leiterplattenhersteller eine sinnvolle Anforderung sein, wenn die Betriebsbedingungen des Produkts anspruchsvoll sind.

Was ist ionische Reinheit?

Selbst ein gutes Basismaterial wird unzuverlässig, wenn die Leiterplattenoberfläche kontaminiert ist. In der PCB-Fertigung kommen viele Chemikalien zum Einsatz, darunter Ätzmittel, Reiniger, Salze und Säuren. Werden diese Rückstände nicht ausreichend entfernt, können sie auf der fertigen Oberfläche verbleiben. In Gegenwart von Feuchtigkeit können solche Rückstände leitfähig werden und Leckströme, Korrosion, Dendritenwachstum und andere elektrochemische Ausfallmechanismen begünstigen.

Deshalb ist die ionische Reinheit ein wichtiges Qualitätsmerkmal. Es geht dabei nicht in erster Linie um sichtbaren Schmutz. Eine Platine kann makellos aussehen und dennoch genug ionische Rückstände tragen, um unter ungünstigen Umgebungsbedingungen langfristig Probleme zu verursachen.

Wie wird ionische Reinheit geprüft?

Ein weit verbreitetes Verfahren ist der ROSE-Test, ausgeschrieben Resistivity of Solvent Extract. Die IPC-Methode dazu ist IPC-TM-650 2.3.25, betitelt Detection and Measurement of Ionizable Surface Contaminants by Resistivity of Solvent Extract (ROSE). Dabei werden ionische Rückstände mit einem definierten Lösungsmittelgemisch auf Basis von 2-Propanol (Isopropylalkohol) und entionisiertem Wasser aus der Platine extrahiert und die Änderung von Leitfähigkeit bzw. spezifischem Widerstand gemessen. Das Ergebnis wird typischerweise als Mikrogramm NaCl-Äquivalent pro Quadratzentimeter angegeben.

Wichtig: Dieser Wert bedeutet nicht, dass auf der Platine wörtlich Natriumchlorid liegt. Die IPC erklärt, dass das Ergebnis als NaCl-Äquivalent ausgedrückt wird, weil die Kontamination eine elektrische Leitfähigkeit vergleichbar mit dieser Menge gelösten NaCl zeigt.

Ein praxisnaher Grenzwert: 1.56 ug/cm2 NaCl-Äquivalent

Für unbestückte Leiterplatten wird der Wert von 1.56 ug/cm2 NaCl-Äquivalent in der Branche häufig als praktische Reinheitsanforderung genannt und mit den Reinheitsanforderungen für Rohplatinen nach IPC-6012 in Verbindung gebracht. Sekundäre Branchenquellen und IPC-bezogene Schulungsunterlagen beziehen sich weiterhin auf diesen Wert für Rohplatinen, auch wenn die breitere IPC-Diskussion um Reinheit im Laufe der Zeit differenzierter geworden ist.

Eine angemessene Anforderung an die Wareneingangsprüfung auf Basis dieses Grenzwerts kann sich so formulieren:

Der Leiterplattenhersteller hat den Nachweis der ionischen Reinheit gemäß IPC-TM-650 2.3.25 (ROSE-Test) zu erbringen. Die gemessene Kontamination darf 1.56 ug/cm2 NaCl-Äquivalent nicht überschreiten. Mit jeder Lieferung ist ein ionischer Kontaminationsbericht pro Charge beizufügen.

Damit entsteht eine dokumentierte, messbare Grundlage für die Lieferantenüberwachung.

Wichtige Grenze des ROSE-Tests

Der ROSE-Test ist nützlich, aber nicht perfekt. Die IPC weist darauf hin, dass das Verfahren Rückstände nicht erfasst, die vom Extraktionsprozess nicht gelöst werden, darunter einige eingeschlossene oder unlösliche ionische Kontaminanten, und es misst keine nicht-ionischen Rückstände. Mit anderen Worten: Ein bestandener ROSE-Befund ist wertvoll, garantiert aber nicht absolut, dass jedes kontaminationsbedingte Zuverlässigkeitsrisiko ausgeschlossen ist.

Die IPC ist außerdem davon abgerückt, die frühere Kennzahl 1.56 ug/cm2 als universellen Zuverlässigkeitsnachweis für alle bestückte Elektronik zu behandeln. J-STD-001 betont inzwischen, dass die alleinige Verwendung der ROSE-Zahl ohne weitere objektive Belege keine ausreichende Grundlage für die Qualifizierung eines Bestück-Reinigungsprozesses darstellt. Das betrifft vor allem bestückte Platinen und die Prozessqualifizierung, liefert aber dennoch nützlichen Kontext: ROSE ist am besten als Screening- und Prozesskontrollinstrument zu verstehen, nicht als vollständiger Ersatz für tiefere Zuverlässigkeitsvalidierung bei hohem Risiko.

Praktische Empfehlungen

Der sinnvollste Ansatz ist weder die Überkomplizierung noch die Vereinfachung der Anforderung:

• Geben Sie den CTI des Basismaterials vor, wenn die Isolationsrobustheit wichtig ist, insbesondere bei Produkten mit Feuchtigkeit, Kontamination oder höherer elektrischer Beanspruchung. Ein CTI über 600 weist auf ein hochwertiges Material mit starker Resistenz gegen Oberflächen-Tracking hin.
• Verlangen Sie vom Leiterplattenlieferanten Nachweise zur ionischen Reinheit, vorzugsweise einen ROSE-Bericht pro Charge. Das unterstützt die Prozessstabilität und senkt das Risiko versagensrelevanter Kontamination.
• Verstehen Sie ROSE als praktische Kontrollmaßnahme, nicht als universelle Garantie. Bei besonders sensiblen Anwendungen können zusätzliche Verfahren wie Ionenchromatographie oder umfassendere Zuverlässigkeitsvalidierung gerechtfertigt sein. IPC und Branchenleitlinien unterstützen zunehmend diesen evidenzbasierteren Ansatz.

Beispielformulierungen für Spezifikationen

Die folgenden Formulierungen eignen sich für Beschaffungsunterlagen oder technische Anforderungen:

CTI-Wert: Das Basismaterial der Leiterplatte soll einen CTI-Wert > 600 gemäß IEC 60112 aufweisen, sofern für die jeweilige Anwendung nichts anderes vereinbart ist.

Ionische Reinheit: Der Leiterplattenhersteller hat den Nachweis der ionischen Reinheit gemäß IPC-TM-650 2.3.25 (ROSE-Test) zu erbringen. Der Kontaminationsgrad darf 1.56 ug/cm2 NaCl-Äquivalent nicht überschreiten. Mit jeder Lieferung ist ein ionischer Kontaminationsbericht pro Charge vorzulegen.

Fazit

CTI-Wert und ionische Reinheit adressieren zwei unterschiedliche, aber zusammenhängende Zuverlässigkeitsrisiken. Der CTI-Wert beschreibt, wie gut das Basismaterial der Bildung leitfähiger Pfade unter elektrischer Beanspruchung widersteht, während die ionische Reinheit anzeigt, ob Fertigungsrückstände über die Zeit Leckströme, Korrosion oder elektrochemische Migration auslösen könnten.

Die Vorgabe beider Anforderungen bei der Rohplatten-Beschaffung unterstützt das, was in der Produktion am meisten zählt: stabile Prozesse, zuverlässige Produkte und weniger Feldausfälle.

Quellen

• IEC 60112:2025 -- Method for the determination of the proof and the comparative tracking indices of solid insulating materials
• UL Solutions -- Comparative Tracking Index (CTI) IEC 60112
• IPC-TM-650 2.3.25 -- Detection and Measurement of Ionizable Surface Contaminants by Resistivity of Solvent Extract (ROSE)
• J-STD-001 amendment -- ROSE / objective evidence requirements for assembly process qualification
• IPC-6012 -- Reinheitsanforderungen für Rohplatinen (Branchenreferenz für den Grenzwert 1.56 ug/cm2)