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Bild 1: Typischer Verlauf eines durch mechanischen Stress verursachten Risses. Der Riss beginnt auf der Unterseites des Keramikkondensators am Rande der Lötstelle.
Bild 2: Eine Migration der Elektrodenmetallisierung führte nach zwei Jahren zum Ausfall in der Applikation durch Kurzschluss.
Bild 3: Risse werden sichtbar nach Entfernung der Anschlussmetallisierung. Die diagonale Anordnung ist typisch für eine Torsionsbelastung. Ein weiterer Riss (blaue Pfeile) ist durch eine elektrische Überlastung entstanden.
Bild 4: Der mechanisch verursachte Riss (rote Pfeile) ist durchgehend, der durch elektrische Überlastung verursachte Riss (blaue Pfeile) endet am anderen Riss. Es kann daraus geschlossen werden, dass der mechanisch verursachte Riss zuerst entstand, die el
Bild 5a: Die Montage eines Motors mit Bajonettverschluss führt zum Verbiegen der Leiterplatte und zur Torsionsbelastung des Kondensators.
Bild 5b
Bild 6: Brandschaden einer Baugruppe verursacht durch Kondensator.
Bild 7: Die Referenzbaugruppe zeigt das Layout. Die Orientierung der Kondensatoren zur Leiterplattenkante und die Nutzentrennung mittels Ritzen und Brechen führen zu Rissen in den Kondensatoren.
Bild 8: Ein ausgefallener Kondensator.
Bild 9: An Neumustern aus der Produktion konnten die Risse nachgewiesen werden. Von 18 untersuchten Kondensatoren wiesen alle Risse im Bereich der Anschlussmetallisierung auf.

Eckdaten

Rood Microtec bietet ein Verfahren, welches es im Rahmen einer Baugruppenqualifikation erlaubt, alle Kondensatoren einer Baugruppe zu analysieren. Hierbei ist es wichtig, dass die zu untersuchende Baugruppe nach der Herstellung und vor der Analyse in die Applikation eingebaut wird, um auch den Stress an den Montagepunkten einfließen zu lassen.

Auf elektronischen Baugruppen kommt eine hohe Anzahl von Keramikkondensatoren zum Einsatz. Ihr Vorteil ist, dass sie eine große Bandbreite an unterschiedlichen Kapazitäten bei sehr kleiner Bauform bieten. Ihr Nachteil ist jedoch ihre Empfindlichkeit gegenüber mechanischer Belastung. Die Ursachen der mechanischen Belastungen können sehr unterschiedlich sein. Am bekanntesten ist die Nutzentrennung. Sind das Verfahren und die Bauteileposition ungünstig gewählt, kann es hier zu Rissbildungen bei bis zu 100 % der Kondensatoren kommen. Da nur etwa 1 % dieser mit Riss behafteten Kondensatoren bei der elektrischen Endmessung auffallen, gelangt eine hohe Anzahl in die Applikationen.

Es ist kaum bekannt, dass diese Risse auch bei der Montage der Baugruppen in die Applikation entstehen können. Zu hohe Drehmomente bei der Verschraubung oder Verbiegungen der Baugruppe verursachen ebenfalls eine Rissbildung. Seltener kommt es zu Rissbildungen bei der Bestückung der Baugruppe. Hier sind die mechanischen Verbiegungen beim Einpressen von Pins beziehungsweise Steckern kritisch zu bewerten.

Rissbildung bei der Montage der Baugruppe

Die entstandenen Risse beginnen immer am Rand der Lötstelle auf der Kondensator-Unterseite und verlaufen schräg in die Anschlusskappe hinein. In der Applikation besteht die Gefahr einer Migration des Elektrodenmaterials entlang der Risse. Sobald eine Verbindung zwischen benachbarten Elektroden besteht, kommt es zu einer elektrischen Verbindung der beiden Anschlüsse und der Keramikkondensator mutiert zum Widerstand. Sollte dieser niederohmig sein und die Energiequelle ist groß genug dimensioniert, führt dies zwangsläufig zur Zerstörung und oft zum Brand.

Den Bauteileherstellern sind diese Probleme bekannt. Um die Empfindlichkeit der Bauteile zu charakterisieren, gibt es genormte Tests. Dabei werden Kondensatoren auf Leiterplatten aufgelötet und durchgebogen. Bei Fixpunkten in einem Abstand von 9 cm kommt es hierbei zu Rissen bei einer Durchbiegung zwischen 3 und 5 mm, abhängig vom Bauteilhersteller. Viel gefährlicher, und leider nicht getestet, sind für die Bauteile Torsionsbelastungen. Hier wurden schon Risse ab einer Torsion von 0,5 mm auf 9 cm festgestellt.

Gefahr erheblich minimieren

Baugruppendesigner sollten die Zusammenhänge kennen, denn mit einem geeigneten Layout kann die Gefahr erheblich minimiert werden. Um Gefahren bei der Nutzentrennung zu umgehen, wird zum Beispiel empfohlen, Keramikkondensatoren nicht näher als 5 mm von der Leiterplattenkante zu platzieren. Bei kleinen Baugruppen ist diese Vorgabe oft nicht realisierbar. Hier lässt sich die Gefahr aber zumindest reduzieren, wenn die Kondensatoren so platziert werden, dass die Bauteilachse parallel zum Leiterplattenrand verläuft. Auch die Art der Trennung (zum Beispiel Sägen statt Brechen) kann das Risiko minimieren.

Gleiches gilt für Schrauböffnungen. Da hier die latente Gefahr besteht, dass es beim Verschrauben zu Verwindungen kommt, sollte ein hinreichend großer Abstand gewählt werden oder die Ausrichtung so verlaufen, dass die Bauteilachse entlang von konzentrischen Kreisen um die Öffnung verläuft.

Neben geeigneten Layouts empfiehlt es sich, die Zuverlässigkeit der Kondensatoren beziehungsweise Baugruppen durch physikalische Analysen abzusichern. Konventionelle Analysetechniken waren in der Vergangenheit stets metallografische Schliffe. Allerdings sind sie sehr zeitaufwändig, zerstörend und auf eine Schliffebene beschränkt. Durch die Einzelpräparation ist die Untersuchung zwangsläufig auf wenige Bauteile reduziert. Vorteil ist, dass man den typischen Rissverlauf, beginnend am Rand der Lötstelle, hinein in die Bauteilkappe, sehr gut aufzeigen kann. Problem bleibt aber die selektive Analyse. Da die Gefahr für die Bauteile von der Montageposition abhängt, garantiert diese Vorgehensweise nicht, dass die am stärksten gefährdeten Bauteile zur Analyse gelangen.

Eindeutiges Analyseverfahren

Als alternatives Verfahren bietet Rood Microtec das Abätzen der Anschlussmetallisierung mit anschließender lichtoptischer Inspektion an. Da die Risse immer an der Bauteiloberfläche entstehen und sich am Rand der Anschlussmetallisierung befinden, ist eine eindeutige Erkennung gewährleistet.

Dazu werden die Kondensatoren von der Baugruppe stressfrei abgelötet. Das Entfernen der Anschlussmetallisierung erfolgt in einem nasschemischen Ätzprozess. Bei diesem können alle Bauteile zeitgleich in einem Becherglas behandelt werden. Den Abschluss bildet eine lichtoptische Inspektion mit einem Stereomikroskop.

Dieses Verfahren ist schnell und es lassen sich gleichzeitig viele beziehungsweise alle Teile präparieren. Von Vorteil ist weiterhin, dass die Bauteile nicht zerstört und zusätzliche (3D) Informationen gewonnen werden. Somit lassen sich im Nachgang noch metallografische Schliffe anfertigen.

Dabei ist der größte Pluspunkt der, dass anhand der Risspositionen Rückschlüsse auf den mechanischen Stress gezogen werden können. Risse aufgrund von Durchbiegungen verlaufen meist über die ganze Länge eines Anschlusses. Bei Stress aufgrund von Torsion sind in der Regel beide Anschlüsse betroffen, wobei die Risse diagonal gegenüber liegen.