Vermeiden von Kurzschlüssen durch haarfeine Kupferrückstände in Ihren PCB-Designs

Was ist schlimmer, als bei einer Verabredung zum Abendessen ein Haar in Ihrem Nudelgericht zu finden? Es erst dann zu bemerken, nachdem es schon in Ihren Mund gelangt ist. Es gibt zwei Möglichkeiten, um derart unangenehme Vorfälle zu vermeiden. Zum einen können Sie ein scharfes Auge auf Ihr Essen haben und somit sicherstellen, dass es frei von Haaren ist, bevor es in Ihren Mund kommt. Die zweite wäre eine Garantie auf Haarfreiheit, bevor das Essen auf den Tisch kommt. Dafür müssen Sie vielleicht das Restaurant wechseln. Beim PCB-Design werden ein paar heruntergefallene Haare keinen großen Schaden anrichten, aber ein einziger Kurzschluss durch haarfeine Kupferrückstände auf einer Platine kann großen Ärger bei der Qualitätskontrolle verursachen. Die aufgewendete Zeit zum Identifizieren eines einzelnen derartigen Kurzschlusses und die Kosten für seine Beseitigung können manchmal teurer kommen als das bestückte PCB. Ebenso wie man Restaurants, in denen man Haare im Essen findet, meiden sollte, sollte man in seinem Design keine Kurzschlüsse durch haarfeine Kupferrückstände zulassen. Natürlich machen wir alle Fehler. Es mag sein, dass man sie nicht vollständig verhindern kann, aber durch optimale Vorgehensweisen können Sie die Wahrscheinlichkeit ihres Auftretens minimieren.

Was ist ein Kurzschluss durch haarfeine Kupferrückstände und wodurch entsteht er?

Ein Kurzschluss resultiert aus der unbeabsichtigten Verbindung zweier nicht miteinander in Beziehung stehender Signale. Wenn zum Beispiel der positive Spannungsanschluss mit der Masse verbunden wird, ist ein Kurzschluss die Folge. Kurzschlüsse sind mit bloßem Auge sichtbar, solange die Signale durch dickes Kupfer verbunden sind. Das kommt eher bei manueller als bei maschinellenr Herstellung Ihrer PCBs vor.

Kurzschlüsse durch haarfeine Kupferrückstände sind ein Problem bei der Maschinenherstellung von PCBs. Das liegt daran, dass haarfeine Kupferfäden zwei verschiedene Signale verbinden können. Diese Art von Kurzschluss kann durch bloßen Augenschein unentdeckt bleiben, bis die bestückten PCBs eine Reihe von Qualitätstests durchlaufen. Wenn ein Kurzschluss derart spät im Produktionsablauf erkannt wird, entstehen garantiert unnötige Zeitverluste und zusätzliche Rohstoffkosten.

Um herauszufinden, wie diese Kurzschlüsse entstehen, müssen Sie den Prozess der PCB-Herstellung im Allgemeinen verstehen. PCBs werden in der Regel aus Kupfer hergestellt, das auf ein nichtleitendes Trägermaterial laminiert wird. Ein übliches Verfahren zum Übertragen der Schaltungen auf das PCB ist die Fotogravur, bei der eine das Abbild der Schaltungsstrukturen enthaltende Fotolackschicht durch Siebdruck auf das PCB gebracht wird.

Das PCB wird dann einer UV-Lichtquelle ausgesetzt und alle nicht vom Siebdruck abgedeckten Bereiche werden durch eine auf Ammoniak basierende Lösung weggeätzt. Diese Prozesse laufen meistens automatisch ab, und jegliche Mängel im Verfahren können eine dünne Spur von Kupfer hinterlassen, die Pads oder Leiterbahnen unterschiedlicher Signale verbindet. Ohne gründliche Tests nach der Herstellung kann das in späteren Produktionsphasen unnötige Probleme verursachen.

^{In den meisten Fällen ist das Lokalisieren eines haarfeinen Kupferrückstands fast unmöglich, bis es zu spät ist.}

Kurzschlüsse durch haarfeine Kupferrückstände können durch sachgemäßes elektrisches Prüfen reduziert werden

Für mich als autodidaktischen PCB-Designer war das Weglassen der elektrischen Prüfung meiner PCBs nach der Herstellung eine meiner wichtigsten und schmerzhaftesten Lektionen. Sie können sich nicht darauf verlassen, dass Ihr PCB-Hersteller alle notwendigen elektrischen Tests nach der Herstellung durchführt. Vergewissern Sie sich, dass Ihre PCBs einen elektrischen Test wie den Flying Probe Test bestehen, bevor sie zur Bestückung geschickt werden. Der Flying Probe Test bewegt hochpräzise Sonden mit hoher Geschwindigkeit über Ihre Bauteil-Pads und Durchkontaktierungen, um jegliche Herstellungs- und Designfehler aufzudecken.

Denken Sie daran, dass elektrische Tests kein zu 100 % fehlerfreies PCB garantieren, weil Kurzschlüsse durch haarfeine Kupferrückstände dem Test manchmal entgehen können. Allerdings reduzieren sie die Wahrscheinlichkeit fehlerhafter PCBs, die weiter zur Bestückung geschickt werden, erheblich. Um die Risiken weiter zu reduzieren, sollten Sie sicherstellen, dass Ihr PCB-Hersteller eine Richtlinie für eine Entschädigung für jedes fehlerhaftes PCB anbietet, das den elektrischen Test dennoch bestanden hat. In solchen Fällen werden renommierte Hersteller das fehlerhafte PCB ersetzen und die Kosten der verbauten Bauteile erstatten.

^{Lassen Sie Ihr PCB immer testen, bevor es bestückt wird.}

Wie können Designer die Wahrscheinlichkeit von Kurzschlüssen durch haarfeine Kupferrückstände reduzieren?

Wenn derartige Kurzschlüsse auch oft ein Fehler der PCB-Herstellung sind, können Elektronik-Designer zum Reduzieren ihres Auftretens beitragen. Abhängig davon, wie eng Ihre Design-Vorgaben in Bezug auf das Format oder Ihr Budget sind, hat es sich in der Praxis bewährt, einen größeren Abstand zwischen Kupferverbindungen und Pads festzulegen.

Obwohl es keine Studien gibt, die derartige Kurzschlüsse mit dem Abstand zwischen Kupfer und Leiterbahnen in Zusammenhang bringen, weiß ich aus Erfahrung, dass Kurzschlüsse durch haarfeine Kupferrückstände eher in dicht bestückten und komplizierten PCB-Designs auftreten. Um dieses Problem zu minimieren, habe ich es immer vermieden, die Grenzen des Machbaren meiner Lieferanten bei der Herstellung auszureizen, und versuche, die Toleranzen für die Abstände in meinen Entwürfen so weit wie möglich zu maximieren. Wenn zum Beispiel ein Lieferant angibt, dass er 5 mil (0,127 mm) Leiterbahnbreite und -abstand leisten kann, setze ich mein Abstandslimit auf 6 mil (0,1524 mm). Bei einem neuen Lieferanten mache ich das immer so. Ein Ingenieur handelt immer umsichtig, wenn er die Grenzen eines Herstellers in einem kleineren Maßstab testet, anstatt die ganze Produktion aufs Spiel zu setzen.

Hochwertige PCB-Design-Software ermöglicht Ihnen maßgeschneiderte Abstandsregeln, sodass Sie Ihre Entwürfe vor dem Fertigstellen der Dateien für die Produktion überprüfen können. Clearance Matrix von CircuitStudio ist ein Design-Tool, das mir geholfen hat, meine Kupferverbindungen getrennt zu halten.

Haben Sie noch Fragen? Dann wenden Sie sich an einen Experten bei Altium, um mehr über die Abstandsregeln zu erfahren.