Design- und Fertigungstipps zur Vermeidung offener Stromkreise bei der PCB-Herstellung

Pralinen in einer Schokoladenfabrik

Ich lebte einige Jahre in einer Stadt, in der sich eine Schokoladen- und Süßwarenfabrik befand. Es war eine berauschende und zugleich auch schlimme Zeit, weil man direkt zur Fabrik gehen und zweite Wahl oder misslungene Süßigkeiten für etwa 75 % des normalen Preises kaufen konnte. Normalerweise waren die Fehler kosmetischer Art, z. B. wenn die Schokolade über dem Karamell gerissen war. Dem Geschmack tat das aber keinen Abbruch.

Wenn Leiterplattenfertiger Fehler machen, sind diese ebenfalls manchmal rein kosmetischer Natur, und die Leiterplatte funktioniert trotzdem. Etwas wie die Fehlausrichtung des finalen Siebdrucks dürfte die elektrische Leistungsfähigkeit nicht beeinflussen. Eine ähnliche Fehlausrichtung der Lötstoppmaske oder einer Kupferlage dagegen könnte Ihre Leiterplatte komplett ruinieren. PCBs sind zum Leiten von elektrischem Strom vorgesehen, und folglich sind die meisten der gravierenden Performance-Defekte elektrischer Natur, wie z. B. offene Stromkreise oder Kurzschlüsse sowie Routing- oder Materialfehler.

Abhängig von Ihrem Zulieferer machen offene Stromkreise etwa ein Drittel aller Defekte bei PCBs aus, insbesondere in Form offener Lötstellen. Eine Reihe von Problemen kann zu offenen Stromkreisen auf Ihrer Leiterplatte führen: von den Materialien über die Verarbeitung bis hin zur Handhabung. Hier die häufigsten Ursachen.

Lotpaste

Wenn Lotpaste ungleichmäßig aufgetragen wird, weil entweder die aufgetragene  Menge variiert oder einige Stellen nicht vollständig abgedeckt sind, so reicht die Lotmenge nicht aus, um eine feste Lötverbindung herzustellen. Das Resultat kann ein offener Stromkreis oder eine schwache, brüchigen Lötstelle sein. Ein anderes Problem mit der Lotpaste sind ungleichmäßige Löttemperaturen auf der Oberfläche. Wenn Sie jemals Schokolade in der Mikrowelle erhitzt haben, wissen Sie vielleicht, dass manche Stellen viel früher schmelzen als der Rest. Die gleiche Variabilität kann während der Reflow-Lötung auftreten. Wenn einige Bereiche nicht die nötige Temperatur nicht erreichen und sich nicht vollständig verbinden, wird die elektrische Verbindung nicht hergestellt. Das ist so ähnlich, als wenn sich nicht geschmolzene Schokoladenstückchen in Ihrer Schokoladen- oder Zuckergussmischung befinden.

Wenn beim Auftragen der Lotpaste das Querschnittsverhältnis (Verhältnis zwischen Öffnungsweite und Schablonendicke) ungünstig ist, bekommen Sie eher Probleme mit Lotpasten-Rückständen. Achten Sie darauf, dass Sie die Lagendicke, insbesondere die Dicke Ihrer Lötstoppmaske, mit Ihrem Hersteller überprüfen.

Wie bei schmelzender Schokolade muss auch beim Lot über Ihre gesamte Leiterplatte hinweg die nötige Fließtemperatur erreicht werden.

Verunreinigung

Niemand möchte kontaminierte Schokolade essen, und hoffentlich hatte ich nie welche mit zweifelhafter Vorgeschichte. PCB-Bauteile können ebenfalls verunreinigt werden. Verunreinigungen durch die Umgebung können verschiedene Ursachen haben: entweder direkt von der Leiterplatte oder durch die Lotpaste. Offensichtliche Ursachen sind verschüttete Chemikalien, Staub und Partikel in der Luft sowie Hautfette.

Sogar die Luftfeuchtigkeit kann zu einer beschleunigten Korrosion führen. Jegliche Verunreinigungen oder Korrosion der Pad-Oberfläche oder der Anschlüsse von Bauteilen können bewirken, dass die Lötverbindung nicht richtig hergestellt wird. Überprüfen Sie, ob es bei Ihrem Fertiger und beim betriebsinternen Umgang Qualitätskontrollen gibt, damit die Bauteile sauber und unbeschädigt bleiben.

Fingerabdrücke auf Leiterplatten führen oft zu Korrosion und mangelhaften Lötstellen.

Lücken und Risse

Lücken durch Unregelmäßigkeiten der Oberfläche können dazu führen, dass Bereiche der PCB ihre Ebenheit verlieren, wodurch der Abstand zwischen den verschiedenen Anschlüssen eines Bauteils stark variieren kann und die Anschlüsse während der Lötung nicht mit der Lotpaste in Kontakt kommen. Am häufigsten passiert dies bei Unregelmäßigkeiten durch Bauteilverformungen oder in der Lötstoppmaske, es kann aber auch durch andere thermische Fehlanpassungen, Probleme im Lagenaufbau (wie etwa Luftblasen durch nicht fachgerechtes Ausgasen) oder durch fehlerhafte Handhabung der Leiterplatte verursacht werden.

Manchmal sind die Lücken und Risse so groß, dass man sie sehen kann. Meist aber braucht man ein Mikroskop oder eine Röntgenaufnahme, um Probleme zu finden – besonders bei Bauteilen mit kleineren Gehäusen. Abhängig von Ihrem Budget für die Fehlersuche müssen Sie sich möglicherweise zum Lokalisieren offener Stromkreise auf elektrische Tests setzen und die abschließende Ursachenanalyse Ihrem Hersteller oder einem Testlabor überlassen.

Schon etwas so Simples wie das Fallenlassen Ihrer Leiterplatte kann Lötverbindungen zerstören, besonders wenn sie von vornherein so zerbrechlich wie ein Schokoladenei waren!

Fehler während der Herstellung können zeitaufwändig und teuer werden. Sie können den Prozess jedoch optimieren, indem Sie Ihre Designs und Herstellerinformationen mit einer hochwertigen Design-Layout-Software wie Altium Designer und Altium Vault verwalten. Und mit dem neuen Altium 365 steht außerdem eine Cloud-Plattform zur Verfügung, mit der Sie eine noch bessere Kommunikation innerhalb Ihres Teams sowie zu Lieferanten gewährleisten können, und zwar von überall aus.