Zeigt eine Baugruppe im Test oder im Feld gerissene BGA-Lötstellen oder MLCC-Risse, stehen meist die biegenden Prozessschritte unter Verdacht: Nutzentrennung, das Niederhalten im ICT-Nadeladapter, das Einpressen von Steckverbindern, das Verschrauben und der Gehäuseeinbau. Jeder dieser Schritte biegt die Platine kurzzeitig. Danach ist kein Verzug sichtbar, aber Lötstellen und Keramikbauteile haben die Dehnung bereits aufgenommen.
Die Dehnungsmessung macht aus der Frage „Ist dieser Schritt zu hart?" Messdaten: wie viel Dehnung jeder Schritt in Bauteilnähe erzeugt und wie schnell. Mit diesen Daten lässt sich gegen einen Grenzwert bewerten, Adapter oder Prozess ändern und die Wirkung nachmessen.
Woher Spannungen kommen und wie Maßstabilität in der Zeichnung festgelegt wird, beschreibt Mechanische Spannung und Maßstabilität von Leiterplatten. Dieser Beitrag behandelt, wie Dehnung gemessen wird, woher Grenzwerte stammen und was danach zu ändern ist.
1. Warum Dehnung messen statt Verzug
Verzug ist eine statische Form: Wölbung und Verwindung der auf einer Messplatte liegenden Platine. Prozessschäden entstehen meist durch dynamische Biegung: im Moment, in dem die ICT-Niederhalterplatte aufsetzt, der Fräser oder das Rollmesser den Steg durchtrennt oder die Pins eines Einpressverbinders eindringen. Danach federt die Platine zurück, eine spätere Verzugsmessung zeigt nichts.
Lötstellen und MLCCs reagieren auf zwei Größen:
- Dehnungsbetrag: wie stark sich die Oberfläche in Bauteilnähe dehnt oder staucht, in Mikrodehnung (µε).
- Dehnrate: wie schnell sich die Dehnung ändert. Bei gleicher Dehnung begünstigt schnellere Belastung den Sprödbruch der Lötstelle.
Gemessen werden muss deshalb während des Prozessschritts, nicht als nachträgliche Prüfung.
2. Methode: dreiteilige Rosetten und Hauptdehnung
Die Dehnungsrichtung auf der Oberfläche ist vorab unbekannt, ein einachsiger Dehnungsmessstreifen (DMS) erfasst nur eine Richtung. Üblich ist eine dreiteilige Rosette (0°/45°/90°). Aus den drei Messwerten werden berechnet:
- Hauptdehnung: maximale und minimale Hauptdehnung, also größte Dehnung und Stauchung an diesem Punkt.
- Diagonaldehnung: zeigt, ob die Platine tordiert.
- Dehnrate: Steigung der Hauptdehnung über der Zeit.
Das Messsystem braucht eine Abtastrate, die Spitzen im Millisekundenbereich bei Nutzentrennung und Einpressen erfasst. IPC/JEDEC-9704A, die Richtlinie für DMS-Prüfungen an Leiterplattenbaugruppen, beschreibt Auswahl der Rosetten, Applikation, Erfassung und Auswertung und eignet sich als Grundlage eines Prüfplans.
3. Wo die DMS sitzen
Ein DMS misst die Oberflächendehnung an seinem eigenen Ort. Die Position bestimmt, was die Daten aussagen:
- Ecken kritischer Bauteile: nahe den Ecken großer BGAs und Fine-Pitch-CSPs, dicht an den äußeren Ballreihen.
- Nahe großer MLCCs: besonders Kondensatoren nahe Platinenrand, Stegen und Befestigungsbohrungen.
- Nahe Lastpunkten: um Trennstege, Einpressverbinder, Schraubenbohrungen und Auflagepunkte der ICT-Niederhalter.
- Bevorzugt Bauteilseite: meist auf der Bestückungsseite. Fehlt dort Platz, die gegenüberliegende Position auf der Rückseite nutzen und im Bericht vermerken.
Jede Messstelle mit Nummer in der Platinenzeichnung markieren und fotografieren, damit Wiederholungsmessungen an denselben Stellen erfolgen.
4. Schritt für Schritt abdecken
Zwischen Linie und Gehäuse durchläuft eine Baugruppe mehrere belastende Schritte. Der Prüfplan sollte jeden davon abdecken, nicht nur den verdächtigsten:
| Schritt | Art der Belastung | Schwerpunkt |
|---|---|---|
| Nutzentrennung (Rollmesser an Ritzung, Fräser, Stanzen) | Lokale Biegung beim Durchtrennen des Stegs | Bauteile nahe den Stegen; Vergleich der Trennverfahren |
| ICT-Nadeladapter | Niederhalterkraft und Federkraft der Nadeln | Felder zwischen den Stützstempeln |
| Einpressverbinder | Einpresskraft wirkt auf die Platine | Bauteile um den Verbinder; Sitz der Stützvorrichtung |
| Verschrauben / Gehäuseeinbau | Zwangsverformung durch unebene Auflagen | Um Schraubenbohrungen; Anzugsreihenfolge |
| Handhabung, Kabel stecken | Einhändiges Halten, Stecken | Platinenrand und Steckerbereiche |
Je Schritt mehrere Platinen messen und Anlage, Adapternummer und Einstellungen dokumentieren. Sonst lassen sich Daten vor und nach einer Änderung nicht vergleichen.
5. Woher Grenzwerte kommen
Die häufigste Frage lautet: Ab wann ist es zu viel? Einen allgemeingültigen Wert gibt es nicht. Der Grenzwert hängt ab von:
- Bauteil: Ballgröße und Raster, Gehäusegröße, MLCC-Baugröße und Anschlussaufbau.
- Lot und Oberfläche: bleifreie und bleihaltige Lötstellen vertragen unterschiedliche Dehnung.
- Leiterplattendicke: gleiche Dehnung bedeutet bei dicken und dünnen Platinen unterschiedliche Krümmung.
- Dehnrate: Grenzwerte ändern sich meist mit der Dehnrate, bei schnellerer Belastung ist der zulässige Wert niedriger.
Grenzwerte stammen typischerweise aus drei Quellen: Applikationshinweise der Bauteilhersteller, interne Spezifikationen des Kunden oder der Branche, eigene Versuche nach Biegeprüfverfahren wie IPC-9702. Der Prüfbericht sollte Quelle und Ausgabestand des Grenzwerts nennen. Fehlt ein verwendbarer Grenzwert, zuerst eine Basislinie aufnehmen: aktuelle Dehnung je Schritt erfassen, mit Ergebnissen der Fehleranalyse abgleichen und daraus eine interne Eingriffsgrenze ableiten.
6. Was bei zu hoher Dehnung zu ändern ist
Liegt das Ergebnis über dem Grenzwert, beginnt man beim Prozess, weil dafür keine Platinenänderung nötig ist:
- ICT-Adapter: Stützstempel unter Niederhaltern und dichten Nadelfeldern ergänzen, Ober- und Unterseitenkräfte ausgleichen, Stützabstände verkürzen.
- Nutzentrennung: Fräser, Rollmesser und Stanzen an denselben Messstellen vergleichen. Empfindliche Bauteile nahe den Stegen erhalten das Verfahren mit der geringsten Dehnung.
- Einpressen: Stützvorrichtung verwenden, die der Platinenoberfläche folgt, mit Auflage direkt unter jedem Einpresspunkt.
- Verschrauben / Gehäuse: Ebenheit der Auflageflächen prüfen, Anzugsreihenfolge und Drehmoment festlegen.
Reicht der Prozess nicht aus, geht es zurück ins Design:
- Empfindliche Bauteile von Stegen, Schraubenbohrungen und Einpresszonen fernhalten.
- Anzahl, Lage und Art der Trennstege anpassen, siehe Nutzenaufbau und Prozessgrenzen.
- MLCCs mit der Längsseite parallel zur Trennlinie oder Hauptbiegelinie platzieren, das verringert die Zugbelastung zwischen den Anschlüssen.
- Eine dickere Platine oder eine andere Abstützung prüfen.
Nach jeder Änderung an denselben Messstellen nachmessen und die Verbesserung mit Daten belegen.
7. Was der Leiterplattenhersteller beitragen kann
Dehnungsmessungen finden vor allem in Baugruppen- und Gerätefertigung statt, die Ergebnisse führen aber oft zu Vorgaben für Layout und Leiterplattenfertigung zurück:
- Nutzen: Steglage, Ritztiefe und Reststeg sowie Anzahl der Perforationsbohrungen beeinflussen die Trenndehnung direkt. In der Nutzenzeichnung bei Bestellung angeben.
- Dicke und Toleranz: Die Dicke bestimmt die Steifigkeit. Dicke und Toleranz mit den aktuellen Fertigungstoleranzen abgleichen.
- Einpressbohrungen: Bohrungsdurchmesser und Hülsenkupfer bestimmen die Einpresskraft, siehe Einpressbohrungen für Steckverbinder.
- Messflächen: Für Dehnungsprüfungen vorgesehene Platinen können neben kritischen Bauteilen ebene, lötstoppfreie Flächen für DMS vorsehen.
So setzt SKPCB es um
Jede Leiterplattenbestellung bei SKPCB wird zu 100 % elektrisch geprüft. In der Baugruppenfertigung stehen SPI, Inline-2D-AOI, 3D-AOI nach dem Reflow, Röntgen, ICT und FCT zur Verfügung, siehe PCBA-Service. Automotive-Aufträge werden am nach IATF 16949:2016 zertifizierten Standort gefertigt, siehe Qualitätssicherung.
Hat ein Projekt Anforderungen an Dehnungsmessungen oder sollen Nutzen, Dicke und Einpressbohrungen nach Messergebnissen angepasst werden, legen Sie Prüfplan oder Bericht Ihrer Angebotsanfrage bei. Die Technik bestätigt die umsetzbaren Fertigungsvorgaben.
FAQ
F: Reicht es, nur den ICT-Schritt zu messen?
A: Nein. Nutzentrennung, Einpressen, Verschrauben und Gehäuseeinbau biegen die Platine ebenfalls, der Ausfall kann aus jedem Schritt stammen. Jeden Schritt messen und dann die Hauptquelle bestimmen.
F: Gibt es einen genormten Dehnungsgrenzwert?
A: Keinen einheitlichen Zahlenwert. IPC/JEDEC-9704A legt die Prüfmethode fest. Der Grenzwert hängt von Bauteil, Lot, Dicke und Dehnrate ab und sollte aus Herstellerangaben oder Kundenspezifikationen stammen, mit Quellenangabe im Bericht.
F: DMS auf die Bauteilseite oder die Rückseite?
A: Meist auf die Bauteilseite nahe den Bauteilecken. Fehlt Platz, die gegenüberliegende Rückseitenposition nutzen, im Bericht vermerken und bei Wiederholungsmessungen beibehalten.
F: Bedeutet ein zu hoher Wert immer ein neues Layout?
A: Nicht unbedingt. Meist lässt sich zuerst der Prozess ändern: zusätzliche ICT-Stützstempel, ein dehnungsärmeres Trennverfahren, eine Einpress-Stützvorrichtung, eine festgelegte Anzugsreihenfolge. Layout oder Nutzen erst ändern, wenn der Prozess nicht ausreicht.
F: Was kann der Leiterplattenhersteller zur Senkung der Montagedehnung tun?
A: Vor allem zeichnungsgerecht fertigen: Steglage, Reststeg der Ritzung, Leiterplattendicke und Einpressbohrungen. Diese Vorgaben müssen bei der Bestellung ausdrücklich angegeben sein.