Die Hauptursachen für Bauteilrisse liegen in der mechanischen oder thermischen Belastung, die während der Fertigung, Montage oder im Betrieb auftritt und die mechanische Festigkeit des Materials (üblicherweise Keramik, Silizium oder Kunststoffvergussmasse) übersteigt. Dies ist ein typisches Problem der Prozesszuverlässigkeit.
Der Hauptgrund ist die „Stresskonzentration“, und die spezifischen Ursachen lassen sich wie folgt kategorisieren:
I. Durch thermische Spannungen verursachte Risse (eine der häufigsten Ursachen)
1. Temperaturschock beim Reflow-Löten
● Ursache: Unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den Bauteilen und den Lötstellen bzw. zwischen dem Bauteil und dem Leiterplattensubstrat. Beim schnellen Aufheizen und Abkühlen während des Reflow-Lötens kommt es zu einer ungleichmäßigen Kontraktion bzw. Ausdehnung der verschiedenen Teile, wodurch innere Scherkräfte entstehen.
● Typische Merkmale: Risse entstehen häufig an der Lötstelle zwischen Lötstelle und Bauteil oder in der Mitte der Bauteilunterseite. Sie treten häufig bei MLCCs (Mehrschicht-Keramikkondensatoren), Dickschichtwiderständen und großflächigen Keramikbauteilen auf.
2. Sekundäre Überhitzung beim Wellenlöten
● Ursache: Bei Leiterplatten, die einer SMT-Bestückung unterzogen wurden, sind die Bauteile während des Wellenlötens über einen längeren Zeitraum dem Hochtemperatur-Lötmittel ausgesetzt, was zu einer Ansammlung von thermischen Spannungen führt.
● Typische Merkmale: Tritt bei Leiterplatten auf, wenn gemischte Montageverfahren erforderlich sind; gerissene Bauteile werden oft mittels SMT montiert und befinden sich auf der Oberfläche (Unterseite) zum Wellenlöten.
3. Fehlerhafte Nachbearbeitungsvorgänge
● Ursache: Lokale Hochtemperaturerhitzung (Heißluftpistole) und schnelle Abkühlung erzeugen einen großen lokalen Temperaturgradienten.
● Typische Merkmale: Zufällige Rissbildung tritt in Bauteilen im Bereich der Nachbearbeitung auf.
II. Durch mechanische Beanspruchung verursachte Risse
1. Trennungsspannung
● Ursache: Biege- oder Vibrationsspannungen, die beim mechanischen Schneiden (V-Schnitt oder andere Trennvorrichtungen) oder beim manuellen Trennen entstehen, können direkt auf spröde Bauteile übertragen werden.
Typische Merkmale: Beschädigte Bauteile befinden sich in der Nähe des Leiterplattenrandes oder der V-förmigen Nut. MLCCs sind besonders anfällig.
2. Verbiegung oder Verformung der Leiterplatte
● Montagevorgang: Zu festes Anziehen der Schrauben, Verbiegen der Platine beim Einbau in die Vorrichtung und Kräfte beim Einstecken/Entfernen der Steckverbinder, die zu einer Verformung der Platine führen.
● Konstruktionsmängel: Unzureichende Festigkeit der Leiterplatte, die unter ihrem Eigengewicht oder äußeren Kräften zum Durchbiegen führt.
● Typische Merkmale: An großen Bauteilen in der Nähe der Mitte der Leiterplatte oder an Fixpunkten können Risse auftreten.
3. Testsonden oder äußere Einwirkungen
● Ursachen: Zu hoher Druck durch die Prüfspitzen bei Tests im eingebauten Zustand oder Funktionstests; Stürze oder Kollisionen bei der Handhabung in der Produktion.
● Typische Merkmale: Lokalisierte Schäden, möglicherweise mit sichtbaren äußeren Einschlagstellen.
III. Probleme bei der Abstimmung von Bauteil- und Prozessdesign
1. Ungeeignetes Polsterdesign
● Ursachen: Zu große oder zu kleine Lötpads führen nach dem Reflow zu einer schlechten Lötstellenform und erzeugen zusätzliche Zug- oder Druckspannungen auf die Bauteile.
● Typische Merkmale: Ein Ende des Bauteils wird nach oben gezogen (Grabstein-Effekt), oder der Boden wird übermäßig zusammengedrückt.
2. Komponentenauswahl und Layoutprobleme
● Ursache: Überdimensionierte MLCCs (z. B. 1210 und größer) oder keramikgekapselte Bauteile wurden in spannungsempfindlichen Bereichen (z. B. in der Nähe von Platinenrändern, Schraubenlöchern, Biegungen) verwendet.
● Typische Merkmale: Chargenprobleme mit gleichen Spezifikationen an bestimmten Standorten.
3. Probleme mit Schablonenöffnungen und Lötmittelmenge
● Ursache: Zu viel Lötpaste, was nach dem Reflow zu übermäßig hohen Lötstellen führt und beim Abkühlen und Erstarren der Bauteile zu Spannungen durch "Anheben" führt.
● Typische Merkmale: Die Bauteile sind angehoben, und am Boden ist überschüssiges Lot sichtbar.
IV. Material- und innere Defekte
1. Mikrorisse im Bauteil selbst
● Ursache: Während der Produktion (z. B. bei der Herstellung von MLCCs) waren in den Bauteilen interne Mikrorisse vorhanden, die sich unter der nachfolgenden Belastung ausbreiteten.
● Typische Merkmale: Der Ausfall ist zufällig; der ursprüngliche Defekt kann durch Röntgen- oder Querschnittsanalyse erkannt werden.
2. Geräterisse nach Feuchtigkeitsaufnahme
● Ursache: Wenn kunststoffgekapselte Bauteile (wie z. B. ICs) Feuchtigkeit aufnehmen, verdampft die interne Feuchtigkeit und dehnt sich unter den hohen Temperaturen des Reflow-Lötens aus, wodurch ein „Popcorn“-Effekt entsteht.
● Typische Merkmale: Die Kunststoffverpackung wölbt sich und reißt, was häufig bei Geräten auftritt, die nach der Lagerung unter feuchten Bedingungen nicht ausreichend getrocknet wurden.
Fehlerbehebung und Lösungen:
Bei Auftreten von Rissen wird empfohlen, zur Analyse folgende Schritte zu befolgen:
1. Lageanalyse: Bestätigen Sie das Lagemuster der beschädigten Bauteile (ob sie sich in der Nähe des Randes der Leiterplatte oder an Belastungspunkten befinden) und das Typenmuster (ob es sich alles um großformatige MLCCs oder um Bauteile desselben Typs handelt).
2. Morphologische Beobachtung: Mithilfe eines Lichtmikroskops, Röntgenaufnahmen und Querschnittsanalysen werden Ursprung und Verlauf des Risses untersucht, um festzustellen, ob es sich um einen thermischen Spannungsriss (vom Lötende nach innen) oder einen mechanischen Spannungsriss (seitlicher Bruch) handelt.
3. Prozessrückblick: Überprüfen Sie den Depaneling-Prozess, das Reflow-Lötprofil (insbesondere die Temperaturanstiegs-/Abfallrate), die Nacharbeitsaufzeichnungen und die Testvorrichtungen. 4. Design- und Materialprüfung: Überprüfen Sie das Leiterplattenlayout und das Pad-Design, bestätigen Sie die Anforderungen an die mechanische Belastbarkeit der Bauteilspezifikationen und führen Sie bei Bedarf Stichproben-Belastungstests an eingehenden Bauteilen durch.
Vorbeugen ist besser als die Bewältigung der Folgen.
Wichtigste Vorgehensweisen: Optimierung des Leiterplattenlayouts, Verbesserung der Depaneling-Prozesse (vorzugsweise unter Verwendung von Fräsern), Kontrolle der Reflow-Löttemperaturprofile, Durchführung von Spannungssimulationen an empfindlichen Bauteilen und Vermeidung von Leiterplattenverbiegungen während der Montage.
Bei komplexen Problemen wie Bauteilrissen sollten Sie die folgende Fehleranalyse und die entsprechenden Erkennungsmethoden in Betracht ziehen, um die Ursache schnell zu ermitteln:
1. Zerstörungsfreie Prüfung: Mittels 3D-Röntgen werden innere Risse, Hohlräume und Lötstellen untersucht, um Defekte zu lokalisieren.
2. Morphologie- und Zusammensetzungsanalyse: Die mikroskopische Morphologie der Risse wird mit Hilfe von Lichtmikroskopen und SEM/EDS beobachtet, die Bruchzusammensetzung analysiert und der Versagensmodus (spröder/duktiler Bruch) bestimmt.
3. Schnittanalyse: Durch Präzisionsschnitte (CP) und Färbung werden der genaue Ursprung und der Ausbreitungsweg von Rissen sichtbar gemacht. Dies ist ein wichtiges Mittel, um zwischen thermischer und mechanischer Spannung zu unterscheiden.
4. Prozess- und Materialbewertung: Messung der IMC-Dicke der Lötstellen, Analyse der Leiterplattenverformung, Bewertung der Materialeigenschaften der Komponenten und Bereitstellung datengestützter Verbesserungsvorschläge.
5. Zuverlässigkeitsprüfung und -verifizierung: Durchführung von Temperaturwechsel-, mechanischen Stoß- und Dreipunktbiegeversuchen, um Ausfälle zu reproduzieren und die Wirksamkeit von Verbesserungsmaßnahmen zu überprüfen.
Benlida fertigt seit über einem Jahrzehnt Leiterplatten und bestückt Leiterplatten mit bestückten Bauteilen (PCBAs). Durch die konsequente Einhaltung strenger Prozessvorgaben und die sorgfältige Überwachung minimieren wir das Risiko von Bauteilbrüchen während der Montage und sorgen für eine optimale Spannungsverteilung. Suchen Sie einen Lieferanten für Leiterplatten und bestückte Leiterplatten? Dann kontaktieren Sie Benlida für weitere Informationen!
Über den Autor:
Sonic Yang
Als führendes Unternehmen im Bereich Elektronik und mechanische Automatisierung ist Sonic seit rund 22 Jahren in den Bereichen Leiterplattendesign, Forschung und Entwicklung sowie der Herstellung von Elektronikprodukten tätig. Als technischer Leiter koordiniert Sonic die Lieferkette (Komponenten und CNC-Teile) und bietet globalen Kunden professionelle Unterstützung und Beratung.
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