Tombstoning: Strategien zur Vermeidung von Montagefehlern auf der Leiterplatte

Während wir unsere Serie über häufige Fehler bei der Montage von gedruckten Schaltungen fortsetzen und wie das PCB-Design den Montageprozess beeinflussen kann, werfen wir einen genaueren Blick auf das sogenannte Tombstoning. Manchmal muss ich über die Begriffe, die wir in der Elektronikfertigung verwenden, lachen. Es scheint, als könnten wir einen technologisch fortschrittlicheren Ausdruck für Tombstoning, Mäusebisse, Hasenohren usw. haben, aber ich muss zugeben, dass die Begriffe nicht nur äußerst aussagekräftig sind, sondern auch einprägsam.

Wenn Ihnen der Begriff nicht bekannt ist, „Tombstoning“ tritt auf, wenn ein Ende einer oberflächenmontierten Komponente während des Lötreflows von der Pad abhebt und eine aufrechte Position einnimmt, die einem Grabstein ähnelt. Häufige Ursachen für Tombstoning umfassen ungleichmäßige Ablagerungen von Lötpaste, Unterschiede in den Pad-Größen, inkonsistente thermische Profile während des Reflows und PCB-Designprobleme wie ungleichmäßige Kupferbahnen oder unzureichende Lötmaskenabdeckung. Einige davon können durch das PCB-Design beeinflusst werden, andere sind das Ergebnis der Kontrolle des Montageprozesses.

Tombstoning ist ein relativ häufiges Problem bei der Montage von gedruckten Schaltungen, insbesondere bei Oberflächenmontage-Technologie (SMT)-Montageprozessen. Obwohl die genaue Häufigkeit von Tombstoning je nach Faktoren wie den spezifischen verwendeten Komponenten, der Komplexität des PCB-Designs und der Qualität der Fertigungsprozesse variieren kann, gilt Tombstoning als einer der verbreiteteren Defekte, die im PCB-Montageprozess auftreten.

Obwohl Fortschritte in der Fertigungstechnologie und verbesserte Designpraktiken dazu beigetragen haben, die Häufigkeit von Tombstoning im Laufe der Jahre zu reduzieren, bleibt es eine Herausforderung, die PCB-Designer und Hersteller angehen müssen, um die Zuverlässigkeit und Funktionalität elektronischer Geräte zu gewährleisten. In Branchen, in denen hohe Zuverlässigkeitsstandards erforderlich sind, wie in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- und Medizingeräteherstellung, werden Anstrengungen unternommen, um das Auftreten von Tombstoning zu minimieren. Ziel ist es, die Notwendigkeit von Nacharbeiten, die zur Beseitigung von Tombstoning erforderlich wären, zu eliminieren.

Faktoren, die zu Tombstoning beitragen

• Methoden der Lötpastenabgabe, wie das Drucken von Lötpaste, müssen überprüft werden, um eine gleichmäßige Lötpastenabgabe auf den Pads sicherzustellen.
• Ungleiche Lötstopplack-Abdeckung: Der Lötstopplack dient als Schutzschicht auf der PCB und verhindert, dass Lötzinn während des Reflow-Prozesses dorthin fließt, wo es nicht soll. Wenn die Pads auf einer Seite eines Bauteils weniger Lötstopplack-Abdeckung haben als die anderen Pads, kann das Ergebnis eine ungleichmäßige Verlötung und Tombstoning sein.
• Das Design und die Größe der Pads auf der PCB spielen eine entscheidende Rolle bei der Verhinderung von Tombstoning. Wenn Pads zu klein, zu groß oder auf jeder Seite eines Bauteils nicht passend sind, kann dies zu ungleichmäßiger Verlötung führen. Beispielsweise bieten kleinere Pads möglicherweise nicht genügend Oberfläche für eine ordnungsgemäße Lötzinnhaftung, während größere Pads zu einem Überschuss an Lötpaste und Ungleichgewicht während des Reflows führen können.
  • Stellen Sie sicher, dass die Padgrößen für die verwendeten Komponenten geeignet sind und eine ausreichende Oberfläche für die Lötzinnhaftung ohne überschüssiges Lötzinn bieten.
  • Implementieren Sie geeignete Pad-Geometrien, wie abgerundete Ecken oder abgeschrägte Kanten, um einen konsistenten Lötzinnfluss zu fördern und das Risiko von Lötzinnbrücken oder Tombstoning zu minimieren.
  • Verwenden Sie Wärmesenken-Pads für Komponenten, die mit großen Kupferflächen verbunden sind, um thermische Ungleichgewichte während des Reflows zu mildern.
• Genaue Platzierung von Komponenten: Eine Fehlausrichtung während der Platzierung kann zu ungleichmäßiger Erwärmung während des Reflow-Lötens führen, was dazu führen kann, dass ein Ende der Komponente vor dem anderen lötet.

Lötstopplack-Überlegungen

Eine angemessene Abdeckung mit Lötstopplack ist wesentlich, um Lötbrücken und Tombstoning zu verhindern. DFM-Praktiken empfehlen:

• Eine ausreichende Lötstopplack-Abdeckung um die Pads zu gewährleisten, um zu verhindern, dass Lötzinn während des Reflow-Lötens dorthin fließt, wo es nicht sollte.
• Die Erweiterung des Lötstopplacks zu implementieren, um zusätzlichen Abstand zwischen den Pads zu schaffen und Lötbrücken zu verhindern.
• Design-Überprüfungen durchzuführen, um die Abdeckung mit Lötstopplack zu verifizieren und Anpassungen vorzunehmen, wie nötig, um das Risiko von Tombstoning zu minimieren.

Strategien zur thermischen Entlastung

Effektive Strategien zur thermischen Entlastung helfen, die Wärmeverteilung während des Reflow-Lötens zu managen und die Wahrscheinlichkeit von Tombstoning zu reduzieren. DFM-Richtlinien schlagen vor:

• Thermische Entlastungsverbindungen für Komponenten zu verwenden, die mit großen Kupferflächen verbunden sind, um thermische Gradienten zu minimieren und Tombstoning zu verhindern.
• Die Anzahl und Platzierung der thermischen Entlastungsverbindungen basierend auf den thermischen Anforderungen der Komponente und dem Layout der PCB zu optimieren.

DFM-Analysewerkzeuge

• Die Nutzung von DFM-Analysewerkzeugen kann helfen, potenzielle Probleme früh im Designprozess zu identifizieren und Tombstoning zu verhindern. Designer können:
  • Thermische Simulationen durchführen, um die Wärmeverteilung über die PCB zu bewerten und Bereiche zu identifizieren, die anfällig für Tombstoning sind.
  • Führen Sie Designregelprüfungen (DRCs) und Fertigbarkeitsprüfungen durch, um die Einhaltung der DFM-Richtlinien zu gewährleisten und potenzielle Tombstoning-Risiken zu identifizieren.

Da die Miniaturisierung von Komponenten fortschreitet, werden SMT-Montage-Prozesse stärker beansprucht, und es wird viel Arbeit geleistet, um die notwendigen Prozessanpassungen für diese engeren Feature-Größen zu adressieren. Das Aufrechterhalten konsistenter Temperaturprofile während des Reflow-Prozesses, einschließlich Aufheiz-, Einweich- und Abkühlphasen, kann helfen, Tombstoning zu verhindern. Es ist eine faire Annahme, dass wir während dieses Prozesses eine Zunahme von gängigen Fehlern bei der Montage von Leiterplatten, wie Tombstoning, sehen werden. Es wird entscheidend sein, mit Ihren Fertigungsteams zusammenzuarbeiten, um etwaige Änderungen in den Richtlinien für die Fertigungsgerechte Gestaltung zu verstehen.