PCB-Tombstone: Was ist das und wie kann man es vermeiden?

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?

PCB-Tombstone-Effekt, auch bekannt als Manhattan-Effekt, Stonehenge-Effekt oder Zugbrückeneffekt, ist ein Lötfehler, der häufig bei der Montage von SMD-Bauteilen auftritt. Der Name kommt daher, dass ein betroffenes Bauteil wie ein Grabstein auf einem Friedhof aussieht. Beim Tombstoning wird ein Ende eines oberflächenmontierbare Komponente (oft ein passives Teil wie ein Widerstand, Kondensator usw.) wird vom Leiterplattenpad, während das andere Ende in der Lötposition bleibt. Dieses Problem tritt üblicherweise bei einigen kleineren SMT-Komponenten auf. Je kleiner die Größe, desto größer das Risiko.

7 Hauptursachen für PCB-Tombstone

Im Kern wird Tombstoning selbst durch ein Ungleichgewicht der Kräfte verursacht, die während der LötprozessUm dieses Phänomen zu verstehen, müssen wir uns mit der Benetzung im Lötprozess befassen. Benetzung bezeichnet den Prozess, bei dem geschmolzenes Lot eine Verbindung mit den Metalloberflächen des Bauteilanschlusses und des PCB-Pads eingeht. Im Idealfall erfolgt die Benetzung gleichzeitig und gleichmäßig an beiden Enden eines Bauteils. Eine ungleichmäßige Benetzung kann jedoch zu Tombstoning führen. Mehrere Faktoren können zu diesem Ungleichgewicht beitragen:

1. Ungleichmäßige Wärmeprofile

Temperaturgradienten innerhalb der Leiterplatte können dazu führen, dass ein Ende eines Bauteils vor dem anderen Ende gelötet wird. Dies liegt an der ungleichmäßigen Wärmeverteilung im Reflow-Ofen oder an den Veränderungen der thermischen Eigenschaften der Leiterplattenmaterialien.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. PCB-Materialeigenschaften

Schwankungen im Wärmeleitfähigkeit Überall auf der Platine sind eine der Hauptursachen für unregelmäßige Erwärmung. Dies gilt insbesondere bei Mehrschichtplatinen, bei denen die Kupferdichte in den Innenlagen unregelmäßig ist.

6. 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.

7. 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.

Weiter lesen: 8 gängige PCB-Oberflächenbeschichtungen: 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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