Mechanische Spannungen PCB: Maßhaltigkeit und Zuständigkeiten

Hauptteil

Das Ergebnis zuerst: Spannung auf einer Leiterplatte ist keine Größe, sondern drei. Ein Teil wird in der Fertigung eingefroren und verlässt mit der Platte das Werk. Trennen aus dem Nutzen, Verschrauben, Stecken von Steckverbindern und Klemmen von Kühlkörpern legen in der Montage eine zweite Schicht darauf. Läuft das Gerät, belastet der Temperaturwechsel beide wiederholt. Die Zuständigkeiten unterscheiden sich vollständig — die erste Quelle kann ein Leiterplattenhersteller tatsächlich verringern, die zweite lässt sich nur durch Konstruktion und Montagereihenfolge vermeiden, und die dritte ist ein Langzeitverhalten, das Material und Aufbau gemeinsam bestimmen. Wer alles zu „die Platte ist verzogen, das soll der Hersteller richten" zusammenzieht, formuliert meist eine Forderung, die niemand umsetzen kann.

Dieser Beitrag leistet daher genau eine Sache: die drei Quellen trennen, jeweils den Ort der Bearbeitung benennen und eine Eingrenzungsreihenfolge für eine verzogene oder gerissene Platte angeben.

1. Quelle eins: Eigenspannung aus der Fertigung

Die Form einer Mehrlagenplatte wird nicht gefräst, sie wird beim Verpressen festgelegt. Harz wird unter Wärme weich, fließt unter Druck und härtet beim Abkühlen aus. Der innere Zustand im Moment der Aushärtung ist die Spannungsverteilung, die die Platte mitnimmt. Jeder weitere Arbeitsgang addiert oder subtrahiert nur auf dieser Grundlage.

Was die Eigenspannung nach oben treibt:

• Unsymmetrische Kupferverteilung. Unterscheidet sich die Kupfermenge der beiden Seiten deutlich, zieht die Harzschrumpfung ungleich und die Platte bekommt eine Neigung zur Wölbung. Das ist der häufigste Beitrag und der im Entwurf am leichtesten vermeidbare; der Mechanismus steht ausführlich in Kupferbalance und Verzugskontrolle bei Mehrlagenplatten und wird hier nicht wiederholt.
• Unsymmetrischer Lagenaufbau. Dielektrikumsdicken, Kernlage und Kupferreihenfolge, die nicht symmetrisch zur neutralen Faser liegen, wirken wie eine Kupferunsymmetrie — nur sitzt die Ursache in der Aufbautabelle statt in der Kupferfläche.
• Gemischte Materialsysteme. Verschiedene Harzsysteme schrumpfen unterschiedlich. Presst man sie zusammen, will jede Lage ein anderes Endmaß einnehmen, und an den Grenzflächen bleibt Spannung zurück. Unsere Auswahlkriterien stehen in Kriterien der Basismaterialauswahl.
• Ungleichmäßiges Verpressen selbst. Ungleiche Druck- oder Temperaturverteilung bedeutet, dass verschiedene Zonen derselben Platte in verschiedenen Zuständen aushärten. Weit genug getrieben ist das keine Spannungsfrage mehr, sondern Lunker und Delamination — siehe Vermeidung von Lunkern und Delamination beim Verpressen.

Diese Quelle liegt beim Hersteller, und hier hat er auch wirklich Mittel. Diese Mittel sind Symmetrierung des Aufbaus, Kupferausgleich, Anpassung des Pressprogramms und das Einplanen einer Spannungsarmbehandlung zwischen den Arbeitsgängen, damit die Platte einen Teil ihrer Eigenspannung abgibt, bevor sie geschnitten, gebohrt und geätzt wird. Gemeinsam ist ihnen: sie finden alle statt, bevor die Platte das Werk verlässt. Auf der Montagelinie ist der eingefrorene Zustand endgültig.

2. Quelle zwei: Kräfte beim Trennen und Montieren

Die zweite Quelle steckt nicht in der Platte, sie wird von außen aufgebracht. Ihr Kennzeichen: Ort und Zeitpunkt sind eindeutig, und ein einzelnes Ereignis genügt oft für einen irreversiblen Schaden.

Wo sie aufgebracht wird:

• Trennen aus dem Nutzen. Das Herauslösen einer Einzelplatte biegt oder schert den Bereich nahe der Plattenkante. Wurde die Trennart nicht mit der Bauteilplatzierung abgestimmt, treffen die Folgen zuerst Keramikbauteile und BGA-Eckverbindungen in Kantennähe. Die Randbedingungen des Nutzens stehen in Nutzenaufbau und Fertigungsrestriktionen, die Toleranzsprache der Konturbearbeitung in Konturfräsen und V-Cut-Toleranzen.
• Verschrauben. Beim Anziehen an den Befestigungsbohrungen wird die Platte gegen Gehäuse oder Abstandsbolzen gedrückt. Liegen die Auflageflächen des Gehäuses nicht in einer Ebene, nutzen die Schrauben die Platte, um den Gehäusefehler aufzunehmen — die Platte wird zwangsweise plan gezogen und behält die Spannung.
• Stecken von Steckverbindern. Einpresstechnik und Verbinder mit hoher Steckkraft führen die Last beim Stecken örtlich ein, und die Platte biegt sich dort durch.
• Kühlkörper und schwere Bauteile. Federbügel-Kühlkörper, großvolumige Kondensatoren und Transformatoren bringen nach der Montage eine Dauerlast ein und werden unter Vibration zu Spannungskonzentrationen.

Nichts davon kann der Leiterplattenhersteller lösen. Er kann nur zwei Dinge: Maße und Planheit im vereinbarten Fenster liefern und auf seiner Seite keine zusätzliche Spannung einbringen. Der Rest gehört in die Konstruktion — Anordnung der Auflagepunkte, Sperrflächen um Befestigungsbohrungen, Montagereihenfolge (erst positionieren, dann anziehen, nicht Schraube für Schraube durchziehen) und das Wegrücken empfindlicher Bauteile von Trennkanten.

Eine regelmäßig übersprungene Voraussetzung: Ist die Planheit von Gehäuse oder Bolzen selbst nicht beherrscht, wird die Montage die Platte in die Gehäuseform zwingen, so plan sie auch gefertigt wurde. Die Planheitsforderung an die Platte weiter zu verschärfen bringt dann nichts, denn das Problem liegt nicht auf der Platte.

3. Quelle drei: Temperaturwechsel im Betrieb

Die dritte Quelle liegt auf der Zeitachse. Einschalten, Aufwärmen, Abschalten, Abkühlen — jeder Durchlauf bewegt jedes Material der Platte um einen anderen Betrag entsprechend seinem Dehnungsverhalten. Kupfer, Harz, Glasgewebe, Lot und Bauteilkörper sind sich nicht einig, und diese Uneinigkeit wird zur wiederholten Belastung an den Grenzflächen.

Das Verhältnis zu den ersten zwei Quellen ist additiv, nicht unabhängig:

• Zonen mit hoher Eigenspannung erreichen unter Wechselbelastung früher eine Versagensschwelle.
• Zonen, die bei der Montage festgehalten werden, werden im bereits eingespannten Zustand gewechselt.
• Der Temperaturwechsel erfindet deshalb selten neue Versagensorte. Er macht aus den Schwachstellen der ersten zwei Quellen Risse.

Typische Orte: Bohrungswände und Verbindungsstrukturen, Lötstellen (besonders die Ecken steifer Bauformen ohne Nachgiebigkeit darunter), Bereiche nahe den Einspannpunkten zum Gehäuse und Übergangszonen bei Starrflex. Die Konstruktionsgrenzen bei Starrflex stehen in Starrflex gegenüber Flex: Konstruktionsgrenzen.

Zuständigkeit: Materialsystem und Konstruktion legen die Langzeitbeständigkeit fest; die Fertigung legt fest, wie sauber der Ausgangszustand ist. Ein Hersteller kann keine Zyklenfestigkeit zusagen, aber er kann dafür sorgen, dass die Platte nicht bereits mit Schulden startet.

4. Wie Maßhaltigkeit in die Zeichnung gehört

„Maßhaltigkeit" ist in der Ingenieurssprache keine einzelne Zahl. Sie muss in mehrere getrennt prüfbare Forderungen zerlegt werden — und am häufigsten fehlt dabei, dass jede davon in einem anderen Zustand gemessen wird.

Getrennt anzugeben:

1. Toleranz für Kontur und Bohrungslage. Übliche Praxis, aber mit Bezug — welche Bezugskante, welche Bezugsbohrung. Ohne erklärten Bezug liefert dieselbe Zeichnung verschiedene Messwerte. Zur Schreibweise siehe Fertigungstoleranzen in Zeichnungsangaben.
2. Planheitsforderung mit Messzustand. Freier Zustand oder eingespannt ergeben verschiedene Antworten. Eine Planheitszahl ohne Messbedingung übergibt das Urteil an die Gewohnheit des Prüfers.
3. Enddicke. Die Dicke hängt mit Aufbau und Harzfluss zusammen; unser Ansatz steht in Toleranzkontrolle der Enddicke.
4. Lage-zu-Lage-Registrierung. Maßhaltigkeit bei Mehrlagenplatten ist nicht nur die Kontur, sondern auch die Lage der Lagen zueinander. Siehe Registrierungskontrolle beim Verpressen.
5. Kritische Zonen benennen. Sind nur bestimmte Bereiche maßkritisch (eine Bohrungsgruppe, die Steckerzone, optische Passermarken), kennzeichnen Sie sie — das ist erreichbarer und günstiger als die gesamte Platte zu verschärfen.
6. Spannungsarmbehandlung zulassen. Braucht der Prozess ein Tempern oder Gleichwertiges, sollte die Zeichnung oder Spezifikation es erlauben. Sonst lässt ein Hersteller den Schritt eher weg, als die Dokumentation zu verletzen.

Die Toleranzsprache insgesamt und unsere beherrschten Merkmale lassen sich über die Toleranzseite abgleichen; Prüfung und Freigabe stehen auf der Qualitätsseite.

5. Eine verzogene oder gerissene Platte eingrenzen

Die Reihenfolge ist entscheidend: erst Zustand, dann Muster, dann Prozess. Umgekehrt landet man in der Schleife „wir haben das Material gewechselt und sie verzieht sich weiter".

Schritt 1: in welchem Zustand trat der Verzug auf. Kam die Platte verzogen aus der Verpackung, oder erst nach dem Trennen, nach der Montage, nach dem Temperaturwechsel. Diese eine Antwort entscheidet, welche der drei Quellen untersucht wird.

Schritt 2: welche Form hat die Verformung. Wölbung in eine Richtung, diagonale Verwindung oder lokale Beule — die drei deuten auf verschiedene Ursachen. Gesamtwölbung hängt meist mit Symmetrie zusammen; Verwindung öfter mit Materialverhalten oder ungleichem Verpressen; lokale Verformung eher mit aufgebrachter Last oder lokaler Struktur.

Schritt 3: ist das ganze Los so. Zeigen alle Platten derselben Zeichnungsnummer dieselbe Form in derselben Richtung, deutet das auf einen systematischen Entwurfs- oder Prozessfaktor. Einzelne Stücke deuten auf Prozessstreuung oder einen einmaligen Handhabungsvorgang.

Schritt 4: liegen die Risse an Einspannpunkten. Risse konzentriert um Befestigungsbohrungen, Gehäuseauflagen oder Trennkanten sind das Kennzeichen von Quelle zwei und haben mit der Eigenspannung wenig zu tun.

Schritt 5: erst jetzt in den Prozess sehen. Mit dem durch die ersten vier Schritte eingeengten Umfang prüft man Aufbausymmetrie, Kupferausgleich, Pressaufzeichnungen und ob sich das Materialsystem für dieses Los geändert hat. Die Materialseite ist auf der Materialseite zusammengefasst.

Ein entscheidender Test: Verzieht sich dieselbe Zeichnungsnummer nach einer Änderung des Montagekonzepts nicht mehr, war es von Anfang an kein Fertigungsproblem. Bleiben die Platten umgekehrt auch nach dem Ausbau aus dem Gehäuse verformt und stimmt das ganze Los überein, gehört die Untersuchung auf die Fertigungsseite.

6. Was nur der Entwurf lösen kann

Einige Punkte lassen sich durch keine Prozessanpassung zurückholen und müssen im Entwurf festgelegt werden:

• Symmetrie von Aufbau und Kupfer. Mit der Freigabe der Platte ist die Kupferverteilung fix.
• Lage der Befestigungsbohrungen und Sperrflächen darum. Eine Bohrung in einer spannungsempfindlichen Zone lässt sich später nur mildern, nicht verschieben.
• Abstand empfindlicher Bauteile zu Trennkanten. Höhe und Ort der Trennspannung sind eine Layoutfrage, keine Prozessfrage.
• Behandlung des Starrflex-Übergangs. Der Aufbau im Übergang wird im Entwurf entschieden.
• Abstützung schwerer Bauteile. Von der Platte getragen oder vom Gehäuse getragen ist eine konstruktive Entscheidung.

Die prozessseitigen Grenzen, die wir anbieten können, stehen auf der Kapazitätsseite. Werden diese Punkte im Entwurf gemeinsam durchgegangen, entfällt viel von dem, was sonst erst in der Montage auftaucht.

FAQ

Kann der Hersteller eine verzogene Platte richten?

Das hängt von der Quelle ab. In der Fertigung eingefrorene Eigenspannung lässt sich durch Symmetrierung des Aufbaus, Kupferausgleich, Pressprogramm und Spannungsarmbehandlung tatsächlich senken. Bei der Montage aufgebrachte Kräfte nicht — dafür braucht es Auflagepunkte, Sperrflächen um Bohrungen und die Montagereihenfolge. Erst die Quelle bestimmen, dann die Zuständigkeit.

Ist eine strengere Planheitsforderung immer besser?

Nein. Ohne erklärten Messzustand (frei oder eingespannt) wird auch eine strenge Zahl je nach Verfahren anders gemessen; und sind die Gehäuseauflagen nicht beherrscht, wird auch eine planere Platte in die Gehäuseform gezwungen. Die wirklich empfindlichen Zonen zu kennzeichnen ist wirksamer als die ganze Platte zu verschärfen.

Sind Wölbung und Verwindung dasselbe Problem?

Nein, sie deuten auf verschiedene Ursachen. Wölbung in eine Richtung hängt stärker mit der Symmetrie oben/unten zusammen, eine diagonale Verwindung öfter mit Materialverhalten oder ungleichmäßigem Verpressen. Die Verformungsform zuerst zu lesen erspart viel vergebliche Suche.

Muss die Spannungsarmbehandlung in die Zeichnung?

Sie sollte mindestens zugelassen sein. Lässt die Spezifikation keinen Raum, lässt der Hersteller den Schritt möglicherweise weg, um dokumentenkonform zu bleiben — und genau dieser Schritt gibt vor dem Schneiden und Bohren einen Teil der Eigenspannung ab. Als „zulässig" formulieren statt Parameter vorzuschreiben, die Methode bleibt beim Prozess.

Was sagen Risse nahe den Befestigungsbohrungen?

Meist, dass hier aufgebrachte Spannung an einem Einspannpunkt wirkt und nicht die Eigenspannung der Platte. Die Aufmerksamkeit gehört auf Planheit der Auflageflächen, Anzugsreihenfolge und Sperrflächen um die Bohrung, nicht auf Änderungen in der Fertigung.

Soll dieselbe Platte in verschiedenen Geräten identische Maßforderungen tragen?

Nicht zwingend. Die tatsächliche Forderung kommt von der Montageschnittstelle — in einem anderen Gehäuse mit anderer Abstützung können die empfindlichen Zonen völlig andere sein. Kritische Zonen je Montagekonzept zu kennzeichnen ist besser, als der ganzen Platte eine pauschal strenge Forderung aufzuerlegen.