EP Basics: Wärmemanagement Wärme auf der Leiterplatte: Schäden, Ursachen und Fehlerbilder

Von Wolf Dieter Schmidt *

Im Artikel geht es um Schäden an Elektronik-Baugruppen auf der Leiterplatte, die durch Überhitzung entstehen. Als mögliche Ursachen kommen Materialfehler genauso in Betracht wie das Nichtbeachten der Einsatzgrenzen von Material und Komponenten oder negative Einflüsse von Produktionsschritten wie das Löten.

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Wärmeschäden: Überhitzung hat vielfältige Ursachen und kann zum Ausfall von Bauelementen, Baugruppen und Geräten führen. Das Bild zeigt einen Bruch der Anschlüsse eines Durchführungskondensators der Baugröße 0805 im Raster 0,4 mm.
Wärmeschäden: Überhitzung hat vielfältige Ursachen und kann zum Ausfall von Bauelementen, Baugruppen und Geräten führen. Das Bild zeigt einen Bruch der Anschlüsse eines Durchführungskondensators der Baugröße 0805 im Raster 0,4 mm.
(Bild: Wolf Dieter Schmidt)

Wärme, besonders zu viel davon, kann sich negativ auf die Funktionsfähigkeit von Bauteilen, Leiterplatten-Baugruppen und Geräten auswirken. Im Extremfall werden ein oder mehrere Teile zerstört. Es kann aber auch sein, dass eine Komponente nicht mehr ihre Spezifikation erfüllt – das ist im Sinne der Zuverlässigkeit auch ein Ausfall.

Für den Nutzer ist es dabei gleichgültig, ob es sich um einen temporären Ausfall z. B. wegen zu hoher Umgebungstemperatur handelt oder die Schaltung einen Defekt erlitten hat. Bei offensichtlich temporären Ausfällen ist zu prüfen, ob die Gerätespezifikation und die Umgebungsbedingungen zusammenpassen. Im Folgenden sollen nur Hardware-Defekte betrachtet werden.

Ausfälle treten entweder beim ersten Einschalten zur elektrischen Prüfung oder nach einer gewissen Betriebsdauer auf. In sehr vielen Fällen liegt die Ursache bei handwerklichen Fehlern im erweiterten Sinn: direkte oder indirekte menschliche Fehler, beispielsweise durch fehlerhafte Prozessführung in den verschiedenen Schritten der Leiterplattenherstellung, falsche Maschinenprogrammierung oder konzeptionelle Fehler in Entwicklung und Konstruktion.

Pastendruck- und Bestückmaschinen selbst arbeiten heute mit unglaublicher Präzision.

Das Diagramm in Bild 1 zeigt, dass viele Einflussfaktoren – und es ist nur ein Teil davon dargestellt – in Bezug auf Zuverlässigkeit (im Umkehrschluss auf verkürzte Lebensdauer oder Geräteausfälle) existieren. Die Einzelfaktoren sind auch nicht isoliert zu betrachten, da sie vielfältig miteinander verknüpft sind. Beispielsweise können beim Löten Schäden an der Leiterplatte auftreten, weil das Material falsch ausgewählt wurde.

Thermischer Ausfall: Fehlerursachen suchen und erkennen

Beim Ausfall einer Elektronik ist in der Regel davon auszugehen, dass sich die Fehlerursache mindestens an einer Stelle in einer beliebig langen Kette oder einem aus Ketten gebildeten Netz von Einzelelementen befindet.

Eine zunächst wahrgenommene Fehlererscheinung muss nicht die Ursache sein, denn oftmals wird diese verdeckt oder mangels Erfahrung nicht erkannt. Nicht ursächlich erkannte und behobene, sondern mit untauglichen Mittel zugedeckte Fehler in einer Serienfertigung können den Hersteller teuer zu stehen kommen, ganz abgesehen vom Image-Schaden bei Ausfall beim Kunden.

Defekte jeder Art sind andererseits interessant, weil eine erfolgreiche Ursachenanalyse in der Regel zu einer tiefergehenden Erkenntnis in Sachen Produktionstechnik, Materialeigenschaften und Funktionen führt und den Erfahrungsschatz erweitert.

Falsche oder irreführende Herstellerangaben, z. B. in Form von Applikationsbeispielen, können auch zu Gerätefehlern führen. Aus Erfahrung ist es ratsam, Vorschläge selbst von weltbekannten Firmen kritisch zu prüfen.

Da nicht jeder denkbare oder jemals aufgetretene Schaden dargestellt werden kann, sollen im Folgenden nur einige Beispiele aufgezeigt und deren Ursachen beschrieben werden.

Wärmebelastung des Leiterplattenmaterials

Leiterplattenmaterial kann unter Temperatureinwirkung geschädigt oder zerstört werden. Bild 2 zeigt die Auswirkung in einem Gerät, wobei nur eine mäßige Schädigung der Harzstruktur vorliegt. Dieses Gerät wurde einer Temperatur <100 °C ausgesetzt, die Einwirkung war aber dafür lang andauernd.

In diesem Fall liegt ein Konstruktionsfehler vor, da die Widerstände zu dicht beieinander platziert wurden, obwohl auf der Leiterplatte ausreichend Platz war. Außerdem wurde auf der Rückseite die Kupferkaschierung, die die Wärme hätte spreizen können, weggeätzt.

In Bild 3 sind die Kurven von zwei temperaturresistenteren Leiterplattenmaterialien zusammen mit der Kennlinie von Kupfer dargestellt. Offensichtlich entstehen dort, wo Kupfer und Harz mechanisch miteinander verbunden sind und sich in die gleiche Richtung ausdehnen, Konflikte.

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Dieser Artikel ist ein Auszug aus dem Fachbuch „Elektronikkühlung in Leiterplatten-Design und -Fertigung“. Das Buch vermittelt das notwendige Knowhow, um eigene Projekte unter Berücksichtigung eines effizienten Wärmemanagements zu planen und Designkonzepte zur Elektronikkühlung objektiv zu bewerten.

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Wärme auf der Leiterplatte: Pad-Lifting und Delamination

Wie kommt es zum Pad-Lifting: Das Leiterplattenmaterial will sich beim Aufheizen in z-Richtung ausdehnen. Lokal wird die Ausdehnung zwar unmittelbar an der Kupferhülse stark gebremst, aber mit jedem zehntel Millimeter Abstand wächst die Dicke des harzgetränkten Gewebes. Das Pad auf der Oberfläche folgt der Ausdehnung.

Bild 4: Schliffbild zum Pad-Lifting.
Bild 4: Schliffbild zum Pad-Lifting.
(Bild: Würth Elektronik)

Beim Abkühlen zieht sich das Harz wieder zusammen. Reicht die verbliebene Haftfestigkeit des Kupfers aus, die durch den heißen Prozess geringer geworden ist, wird das Pad auch wieder in die Ursprungslage gezogen. Andenfalls trennt sich das Pad vom Isolationsmaterial, dies bezeichnet man als Pad-Lifting, was für anspruchsvolle Leiterplatten-Baugruppen nicht akzeptiert wird.

Bild 4 zeigt das Schliffbild eines Pad-Liftings. An der rechten Seite tritt es in diesem Beispiel nicht auf, was durch eine dort anschließende Leitung oder andere Kupferfläche bewirkt worden sein könnte. Die so vergrößerte Kupferfläche bewirkt eine größere Haftkraft.

Wenn die sich in z-Richtung ausdehnende Leiterplatte stark an den Kupferhülsen der Durchkontaktierungen zieht, kann es an einer Schwachstelle der Hülse zum Bruch kommen (Barrel-Crack), während bei einer vorherigen Prüfung noch kein Bruch feststellbar war. Derartige Fehler können sich auch als «Thermoschalter» bemerkbar machen, d. h. je nach Temperatur verändert sich die Ausdehnung des Isolationsmaterials und die beiden Teile der Kupferhülse berühren sich oder nicht, sodass der Kontakt sich öffnet oder schließt.

Delamination ist ein weiteres Thema. Das Prüfungsverfahren beaufschlagt das zu prüfende Material mit Hitze und mechanischer Belastung. Eine weitere Ausprägung der Delaminierung zeigt Bild 5, hier ohne, dass das Harz zerstört wird und dunkel anläuft und ohne offensichtliche mechanische Belastung. Im Inneren eines Multilayers haben sich Schichten voneinander gelöst (helle Flächen).

Bild 5: Delaminierung eines Multilayers – das obere Bild zeigt den Zustand nach einem Durchlauf im Reflow-Ofen mit Standard-Temperaturprofil zum Löten, das untere den Zustand der Leiterplatte nach dem zweiten Durchlauf.
Bild 5: Delaminierung eines Multilayers – das obere Bild zeigt den Zustand nach einem Durchlauf im Reflow-Ofen mit Standard-Temperaturprofil zum Löten, das untere den Zustand der Leiterplatte nach dem zweiten Durchlauf.
(Bild: Wolf Dieter Schmidt)

Wie jede Delamination ist das ein Totalausfall, da auch bei zunächst sehr kleinen Flächen nicht sichergestellt werden kann, dass der Fehlerprozess nicht weitergeht, wie die beiden Bilder belegen. Solche Ablösungen können sowohl zwischen Kupfer und Harz (Adhesive Delamination) als auch zwischen den Prepregs (Kohesive Delamination) auftreten.

Die Ursachen können fehlerhaftes Material oder Mängel im Verpressprozess sein. Ein weiterer möglicher Grund kann Feuchteeinlagerung im Harz sein – bis ca. 0,4 Gewichtsprozent wurden bei Untersuchungen festgestellt. Beim Löten können unter diesen Randbedingungen Dampfdrucke >2 MPa (>20 bar) auftreten.

Gemeinsam ist allen vergleichbaren Fehlern und Ursachen, dass die Leiterplatten im Anlieferzustand einwandfrei erscheinen und die Fehler erst auftreten, wenn sie Hitze ausgesetzt sind – und das ist beim Lötprozess der Fall.

Unser nächster Entwicklerevent

Einwandfrei funktionierende Baugruppen für leistungsstarke Elektroniklösungen beruhen auf vorausschauendem Leiterplattendesign. Dies ist das Thema der Fachtagung Leiterplatte & Baugruppe am 23. und 24. Mai 2022 in Würzburg. Ab sofort können Experten Vorträge einreichen und interessierte Teilnehmer sich für das Programm vormerken lassen.

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