Die Leiterplattenmontage ist ein hochkomplexer Prozess, bei dem Genauigkeit stets von entscheidender Bedeutung ist. Selbst kleinste Unvollkommenheiten können zu zahlreichen Problemen in der Elektronik führen. Es gibt zahlreiche Defekte, die die Funktion von Leiterplatten und ihre Anwendung in der Elektronik beeinträchtigen können. Einer der häufigsten ist der sogenannte „PCB-Tombstone“ oder „Tombstoning“. Aber wissen Sie, was das ist? Was sollten Sie tun, um dieses Problem zu vermeiden? Wir finden die Antwort.
Was ist PCB Tombstone?
Der sogenannte „Tombstoning“-Effekt, auch bekannt als Manhattan-, Stonehenge- oder Zugbrückeneffekt, ist ein Lötfehler, der häufig bei der Bestückung von SMD-Bauteilen auftritt. Er wird so genannt, weil ein betroffenes Bauteil einem Grabstein auf einem Friedhof ähnelt. Beim Tombstoning bleibt ein Ende eines SMD-Bauteils (oft ein passives Bauteil wie ein Widerstand, Kondensator usw.) vom Lötpad der Leiterplatte abgehoben , während das andere Ende verbleibend verlötet ist. Dieses Problem tritt typischerweise bei kleineren SMD-Bauteilen auf. Je kleiner das Bauteil, desto größer das Risiko.
7 Hauptursachen für PCB-Tombstone
Im Kern entsteht das sogenannte „Tombstoning“ durch ein Ungleichgewicht der Kräfte, die während des Lötprozesses auf das Bauteil wirken . Um dieses Phänomen zu verstehen, müssen wir das Konzept der „Benetzung“ beim Löten genauer betrachten. Benetzung bezeichnet den Vorgang, bei dem geschmolzenes Lot eine Verbindung mit den Metalloberflächen sowohl des Bauteilanschlusses als auch des Lötpads auf der Leiterplatte eingeht. Im Idealfall erfolgt die Benetzung an beiden Enden eines Bauteils gleichzeitig und gleichmäßig. Ist die Benetzung jedoch ungleichmäßig, kann dies zu Tombstoning führen. Verschiedene Faktoren können zu diesem Ungleichgewicht beitragen, das Tombstoning verursacht:
Ungleichmäßige Wärmeprofile
Temperaturgradienten innerhalb der Leiterplatte können dazu führen, dass ein Ende eines Bauteils vor dem anderen verlötet wird. Dies wird durch die ungleichmäßige Wärmeverteilung im Reflow-Ofen oder durch Veränderungen der thermischen Eigenschaften der Leiterplattenmaterialien verursacht.
Inkonsistenter Lötpastenauftrag
Wenn die Menge der auf das Pad aufgetragenen Lötpaste ungleichmäßig ist, führt dies zu einer ungleichmäßigen Benetzung. Der Grund für eine ungleichmäßige Lötpastenmenge liegt in der Regel in einem falschen Schablonendesign oder einem falschen Lötpastendruckverfahren.
Probleme mit dem Pad-Design
Wenn die Pad-Größen nicht übereinstimmen oder die Pad-Layouts nicht korrekt sind, können unterschiedliche Oberflächenspannungskräfte entstehen. Selbst bei geringfügigen Unterschieden in den Pad-Abmessungen kann es zu Tombstoning kommen, insbesondere bei kleinen Teilen.
Dimensionen Anbauteile
Einige Formen und Abmessungen von Komponenten können aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften anfälliger für Tombstoning sein. Beispielsweise sind Komponenten mit asymmetrischem Design oder größeren Seitenverhältnissen in der Regel empfindlicher.
PCB-Materialeigenschaften
Schwankungen der Wärmeleitfähigkeit innerhalb der Leiterplatte sind eine der Hauptursachen für ungleichmäßige Erwärmung. Dies gilt insbesondere für Mehrlagenplatinen, deren innere Lagen eine ungleichmäßige Kupferdichte aufweisen.
Variationen in der Oberflächenbeschaffenheit
Einige PCB-Oberflächen beeinflussen die Lotbenetzung. Konventionelle Heißluft-Lötnivellierungs-Oberflächen (HASL) sind zwar günstiger, verursachen jedoch Oberflächenfehler, die die Bildung von Tombstoning begünstigen.
Probleme bei der Komponentenplatzierung
Eine Fehlausrichtung der Teile auf der Leiterplatte würde den Lötvorgang beeinträchtigen, was zu einem hohen Risiko von PCB-Tombstones führen würde.
Die Auswirkungen von PCB Tombstoning
Ein Tombston-Bauteil mag zwar als geringfügiges Problem erscheinen, seine Folgen können jedoch schwerwiegend und weitreichend sein. Erstens beeinträchtigt es die Funktion der gesamten Elektronik. Bei Tombston-Bauteilen entsteht ein offener Stromkreis, der wiederum zu einem teilweisen oder im schlimmsten Fall vollständigen Ausfall des Geräts führt. Zweitens kann es, selbst wenn ein Tombston-Bauteil einen gewissen Kontakt aufrechterhält, zu unterbrochenen Verbindungen kommen, was mit der Zeit zu unzuverlässiger Leistung führt. Schließlich ist das Erkennen und Nachbearbeiten von Tombstone-Bauteilen auf Leiterplatten keine leichte Aufgabe und erhöht die Herstellungskosten und den Zeitaufwand.
Wie kann man den PCB-Tombstone verhindern?
Glücklicherweise gibt es mehrere Strategien, die PCB-Designer und -Hersteller anwenden können, um das Tombstoning-Risiko zu minimieren:
- Optimieren Sie das Pad-Design: Entwerfen Sie das Pad mit einheitlichen Größen und stellen Sie sicher, dass die Abstände richtig sind, um eine gute Benetzung des Lots zu gewährleisten.
- Optimieren Sie das Reflow-Profil: Während des Lötvorgangs ist es wichtig, die Heiz- und Kühlraten zu kontrollieren, um das thermische Gleichgewicht aufrechtzuerhalten.
- Verbessern Sie die Lötpastenanwendung: Verwenden Sie hochwertige Schablonen und optimieren Sie den Druckvorgang für eine gleichmäßige Pastenabscheidung.
- Berücksichtigen Sie die Ausrichtung der Komponenten: Positionieren Sie die Komponenten im Reflow-Ofen entlang der Bewegungsrichtung der Platine, um eine gleichmäßige Erwärmung zu gewährleisten.
- Verwenden Sie geeignete PCB-Oberflächen: Für kleine SMT-Komponenten, die zu Tombstoning neigen, sollten Sie Oberflächen wie ENIG, Chemisch Zinn oder OSP wählen, die gleichmäßigere Oberflächen bieten.
Weiterführende Informationen: 8 gängige Oberflächenveredelungen für Leiterplatten: Wie wählt man die richtige aus?
- Optimieren Sie die Komponentenplatzierung: Stellen Sie mithilfe moderner Pick-and-Place-Maschinen sicher, dass alle Komponenten mit hoher Genauigkeit zusammengebaut werden.
- Optimieren Sie das PCB-Layout: Achten Sie in den Innenlagen auf die Kupferverteilung, um eine gleichmäßige Wärmeverteilung zu gewährleisten. Thermische Vias und ausgewogene Kupfergüsse unterstützen die Wärmeverteilung auf Ihrer Platine.
Fazit
PCB-Tombstone-Probleme sind nach wie vor ein Problem, mit dem viele Elektronikhersteller konfrontiert sind. Angesichts der Miniaturisierung von Geräten und der hohen Anzahl an Schaltkreisen sind Lösungen für dieses Problem wichtig. Durch das Verständnis der Ursachen von PCB-Tombstone-Problemen und die entsprechenden Maßnahmen können Hersteller Tombstoning-Vorfälle verhindern oder zumindest deutlich reduzieren.
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