Ursachen für den Verzug von Bauteilen in einer Leiterplatte

Ein Mitarbeiter eines Leiterplattenherstellers erklärte mir einmal, dass sie dachten, wir hätten ein Problem mit Bauteilverzug bei einer Einheit. Zuvor war ich davon ausgegangen, dass dies bei Standardbauteileinheiten, die in einer PCBA verwendet werden, höchst unwahrscheinlich ist. Leider kann es sowohl bei einer Leiterplatte als auch bei Komponenten zu Bauteilverzug kommen. Mechanische Fehlbehandlung, die zu Verbiegungen führt, ist ein offensichtliches Problem, aber es gibt möglicherweise auch andere Probleme, die zu einem Verzug von Bauteilen führen können, ohne dass eine mechanische Einwirkung beteiligt ist.

In diesem Artikel erhalten Sie einen Überblick über den Verzug in einer Leiterplatte, genauer gesagt in der Leiterplatte und in den Bauteilen. Die Möglichkeit eines Verzugs in der Leiterplatte sollte angesichts der Tatsache, dass PCB-Laminatmaterialien leicht flexibel sind, offensichtlich sein, aber das Potenzial für einen Verzug in Bauteilen ist nicht so offensichtlich.

Wo Bauteilverzug bei PCBs auftaucht

Bauteilverzug kann während der Leiterplattenmontage auftreten, oder Ihre Bauteile könnten bereits verzogen sein, bevor sie in der Montageeinrichtung ankommen. Gelegentlich erhalten Sie Bauteile mit einer verbogenen oder nicht ganz ebenen Verpackung, was bei der Herstellung oder während des Versands geschehen ist. Bei den meisten Bauteilen und Bestückungen ist der Verzug meistens sehr gering, und das Vorhandensein eines solchen Verzugs verursacht keine Probleme bei der Funktionalität oder Zuverlässigkeit der Anordnung.

Wenn der Verzug stärker ist, kann es schwierig sein, Fehler zu finden, bevor Sie mit dem Testen von Bauteilen oder der Verwendung des Geräts beginnen. Leider gibt es wahrscheinlich keine Möglichkeit, die Bauteile in einer Spannvorrichtung zu testen oder auf ihre Ebenheit zu prüfen, wenn sie erst einmal im Montagewerk angekommen sind. Wenn sie nicht sehr offensichtlich verzogen sind, werden sie sofort zur Bestückung gebracht. Nachdem Sie diese Bauteile auf Ihrer Leiterplatte verbaut haben, werden Sie nur schwer beweisen können, ob die Verformung schon vorher da war oder erst nach der Verarbeitung und Handhabung bei Ihnen aufgetreten ist.

Kurz zusammengefasst kann Verzug in folgenden Situationen entstehen:

• Bei der Komponentenherstellung, wenn Bauteile während der Produktion oder Verpackung nicht ordnungsgemäß geprüft wurden
• Bei der Leiterplattenbestückung, wenn durch den Lötprozess ein Defekt im Bauteil entsteht
• Wenn sich die Leiterplatte verzieht, kann dies auch zu Verzug in einigen Bauteilen führen
• Beim Transport, wenn ein mechanischer Stoß oder eine Erschütterung die Leiterplatte und/oder Komponenten beschädigt

Montagefehler, die zu Bauteilverzug führen

Möglicherweise sind die Auswirkungen des Bauteilverzugs so gering, dass Sie sie nie bemerken, oder aber sie können latente elektrische Probleme verursachen. Der wohl schlimmste Fall tritt auf, wenn wiederholte Wechselbeanspruchung und Verziehen eine Lötstelle so stark schwächt, dass ein vorzeitiger oder zeitweiliger Ausfall verursacht wird. Zu den Faktoren, die bei der Montage zum Verzug von Bauteilen führen können, gehören:

• Thermische Wechselbeanspruchung
• CTE Fehlanpassungen
• Ausgasung

Der einfachste Fall, wo wiederholte Wechselbeanspruchung zu Bauteilverzug führt, ist aufgrund von wiederholter Wechselbeanspruchung. Ein Bereich, in dem diese elektrischen Probleme auftauchen, sind große Prozessoren mit  Ball-Grid-Array-Gehäusen, in denen die Bauteile eine große Oberfläche haben, die von Verzug betroffen sein kann. Auch Baugruppen auf einem organischen Substrat können durch thermische Wechselbeanspruchung beeinträchtigt werden und sich verziehen, da sie im Vergleich zu umgebenden Laminaten eine CTE-Fehlanpassung aufweisen können.

Wenn das Missverhältnis zwischen einer Baugruppe und der Leiterplatte groß ist, setzt Verzug ein, der den Abstand zwischen der Leiterplatte und dem Gehäuse vergrößert, und es gibt mehrere mögliche Folgen. Wenn eine Lötkugel „herunterfällt” und auf der Leiterplatte liegen bleibt, anstatt sich mit dem Bauteil zu verbinden, kann dies in einigen Fällen zu einem offenen Stromkreis führen, oder das Lot kann fließen und andere Verbindungen überbrücken. Andernfalls dehnt sich die Lötkugel, um die Verbindung bei der entsprechenden Temperatur herzustellen. Sie sehen einen Schaltkreis, aber das Lot in der Verbindungsstelle ist verdünnt und manchmal seltsam geformt, so dass die Verbindung mit der Zeit weniger zuverlässig ist. Die Auswirkungen werden schlimmer, wenn sich der Pitch zwischen den BGA-Pads verringert.

Wenn sich die Oberfläche nach unten verzieht, was in der Regel dadurch geschieht, dass Ecken und Kanten während des Reflow absacken, haben Sie plötzlich zu viel Lot unter Ihrem Bauteil. Es rutscht häufig vom Pad herunter, bildet eine Brücke zu anderen Lötpads und schließt sie zusammen, wie im Bild unten zu sehen ist.

Es ist sogar möglich, wenn auch selten, dass eine schlechte Herstellung zu Ausgasungen führt. Dadurch kann eine Blase in der Verpackung entstehen oder ein Gehäuse schief gedrückt werden. Die häufigste Ursache sind jedoch thermische Probleme. Nachbesserungen können dazu führen, dass sich Ihre Bauteile während des Reflow-Verfahrens verziehen, oder eine thermische Fehlanpassung zwischen Verpackung und Lötmittel kann zu Verzug führen, wenn Materialien eine unterschiedliche Wärmeausdehnung erfahren.

Um mehr über den Verzug in Leiterplatten und einige Strategien zur Verhinderung des Leiterplattenverzugs zu erfahren, lesen Sie diesen Artikel.

Einige einfache Methoden zur Verhinderung von Verzug

Glücklicherweise gibt es einige Möglichkeiten, Verzug zu verhindern oder zu reduzieren. Verwenden Sie erstens Lötstoppmasken-definierte Pads, da die Höhe des geschmolzenen Lots bei Pads, die nicht Lötstoppmasken-definiert sind, viel geringer ist. Das liegt daran, dass geschmolzenes Lot nicht so viel Dochtwirkungsfläche hat, über die es sich ausbreiten kann. Sie können auch die Materialien und Temperaturen des Verfahrens anpassen, was oft eine Senkung der Temperaturen bedeutet. Auch die Reduzierung der thermischen Fehlanpassung zwischen bleifreiem Lot und Bauteilen kann die Ergebnisse drastisch verbessern. Wenn beim Reflow die Ecken absacken, können Sie Abstandshalter verwenden, um sie zu stützen, bis sie abgekühlt sind.

Begrenzen Sie schließlich die Anzahl der Löt-/Nachbesserungszyklen und fixieren Sie die Leiterplatte während der Lötzyklen nicht. Die in der Leiterplatte induzierte thermische Spannung kann zu Verzug in den Komponenten, in der Leiterplatte oder in beiden führen. In erster Linie ist betrifft diese Herausforderung die Leiterplatte, aber wiederholte thermische Wechselbeanspruchung in Leiterplattenbereichen mit hoher Fehlanpassung kann auch zu einem Verzug der Bauteile führen, insbesondere in Gehäusen mit einem organischen Substrat und in BGAs. Wenn Sie die Bauteile Ihrer Leiterplatte kennen, können Sie feststellen, bei welchen Teilen die Gefahr von Montagefehlern während der Produktion oder bei Nachbesserungen geringer ist.

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