Autopsie von Leiterplatten: Ursachen für Leiterplattenausfälle

Um sicherzustellen, dass ein Conformal Coating die gewünschten Anforderungen erfüllt, müssen die beschichteten Baugruppen unter geeigneten Testbedingungen einer Reihe von Umgebungen ausgesetzt werden, um den Leistungsbereich und die Grenzen zu ermitteln. Zu den grundlegenden Tests gehören elektrische Leistung und beschleunigte Feuchtigkeitstests, während bei fortgeschrittenen Tests schwerwiegende Bedingungen wie Salznebel, extreme Temperaturen oder schnelle Umweltveränderungen imitiert werden können. Conformal Coatings sollen Leiterplatten schützen und sicherstellen, dass sie in ihrer Endanwendungsumgebung effizient arbeiten.  Es gibt jedoch Fälle, in denen Leiterplatten trotz Lackierung nicht ausreichend funktionieren oder sogar ganz ausfallen, was wiederum zu einem teuren, zeitraubenden Albtraum führt, der sich auch auf ihren Ruf auswirkt.

In dem Maße, wie sich die Elektronik weiterentwickelt, um immer mehr auf immer kleinerem Raum zu leisten, steigt die Wahrscheinlichkeit von Fehlern mehr und mehr an.  Da die Bauteile immer kleiner und so auch die Abstände immer kleiner werden, stoßen viele Designs deutlich häufiger an die Grenzen der Designregeln und manchmal sogar an die Grenzen der Herstellbarkeit.  Es liegt auf der Hand, dass die Fehlerwahrscheinlichkeit dramatisch zunimmt, je mehr die Konstrukteure die Grenzen ausreizen.

Zusätzlich zu den konstruktionsbedingten Problemen macht die größere Nähe der Komponenten aufgrund der höheren Dichte die Hardware anfälliger für Korrosion, einen komplizierten, diffusionsgesteuerten, elektrochemischen Prozess, der auf einer freiliegenden Metalloberfläche in Gegenwart von Wasser und ionischen Verunreinigungen abläuft. Die Reinigung vor dem Lackieren trägt wesentlich dazu bei, die Bedingungen für Korrosion zu beseitigen und einen effizienteren Beschichtungsprozess zu ermöglichen, um den Isolationswiderstand in diese empfindlichen Designs zu erhöhen und die Auswirkungen der Betriebsumgebung auf die Ausfallrate zu mindern.

Da Leiterplatten hochkomplex sind, gibt es viele Variablen, die einen Ausfall der Leiterplatte verursachen können.  Einige Ausfallmechanismen treten langsam auf, was bei der Erkennung, Wartung und sogar Reparatur hilfreich sein kann. Bei einem plötzlichen und unvorhergesehenen Ausfallmechanismus ist jedoch oft ein kompletter Ausfall der Leiterplatte wahrscheinlicher. Wenn eine Leiterplatte ausfällt, obwohl sie zuvor beschichtet wurde, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass bereits vor der Beschichtung problematische Bedingungen auf der Leiterplatte herrschten, oder dass die Beschichtung selbst oder die verwendete Beschichtungsmethode für die Anwendung nicht geeignet war. Ebenso gibt es viele andere Gefahren für den Erfolg einer Leiterplatte, wie z. B. das Auftragen von Conformal Coating auf Komponenten und Oberflächen, die vor der Beschichtung nicht gereinigt wurden, elektrostatische Entladungen oder sogar eine möglicherweise schlechte Konstruktion der Einheit selbst.

Kontrolle vor der Beschichtung

Das erste und wichtigste Verfahren ist die Durchführung einer Inspektion vor der Beschichtung. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da dadurch die Gesamtqualität der Leiterplatte überprüft wird und sichergestellt wird, dass sie für den Zweck geeignet ist und den Kundenspezifikationen entspricht.  Die Inspektion in dieser Phase ist auch von größter Bedeutung, um alle Bedingungen zu erkennen, die zu einem Ausfall der Leiterplatte führen könnten, wie z. B. der Ausfall von Bauteilen, eine unzureichende Leiterplattendicke und lose Verbindungen, die die Konnektivität beeinträchtigen. Conformal Coatings haben ihre Grenzen, und Verunreinigungen, die sich vor der Beschichtung auf der Oberfläche befinden, werden durch den Vorgang eingeschlossen und können langfristig Probleme verursachen. Solche Verunreinigungen können Fingerabdrücke, Flussmittelrückstände und Feuchtigkeit sowie andere atmosphärische Verunreinigungen sein. Um eine optimale Leistung zu erzielen, sollten die Platten vor der Beschichtung stets gereinigt und getrocknet werden. Selbst bei der Verwendung so genannter No-Clean-Flussmittel trägt die Reinigung der Leiterplatten vor der Beschichtung zu einer höheren Leistung und Zuverlässigkeit bei.

Herausforderung Wärmeentwicklung

Ein weiterer bekannter Feind von Leiterplatten und Bauteilen ist Hitze. Während des Betriebs unterliegen die Materialien in der Leiterplatte einem breiten Spektrum an Temperaturschwankungen. Jedes Bauteil hat einen bestimmten Wärmebereich, den es aufnehmen kann, der weitgehend von seiner Größe und Form abhängt.  Elektronik mit höherer Leistung und größerer Dichte erzeugt mehr Wärme. Übermäßige Wärme kann hingegen zu erheblicher mechanischer Belastung führen, die sich auf die Lötverbindungen auswirkt und zum Durchbrennen von Komponenten führen kann.  Um die Lebensdauer des Geräts zu verlängern und Ausfälle zu vermeiden, ist es wichtig, die Wärmeübertragung effizient zu steuern. Überhitzung beschleunigt nicht nur die Ausfallmechanismen, sondern kann auch dazu führen, dass die Geräte zu heiß werden, um sie zu handhaben, und in einigen Fällen eine Brandgefahr darstellen.

Herausforderung Miniaturisierung

Zusätzlich zu den Problemen im Zusammenhang mit der Wärmeentwicklung bedeutet das anhaltende Streben nach Miniaturisierung, dass wir keinen Platz mehr für mehrere Platinen haben, und die Zahl der Designs, die gemischte Technologien verwenden, bei denen analoge, digitale und HF-Schaltungen eng mit Hochspannungsschaltungen kombiniert sind, steigt, so dass es immer schwieriger wird, die Anforderungen an Luft- und Kriechstrecken zu erfüllen. Selbst geringfügige Veränderungen in der Umgebung, sei es eine Zunahme von Staub, eine höhere Luftfeuchtigkeit, Spritzwasser oder der Kontakt mit potenziell korrosiven Gasen, können ausreichen, um ein ansonsten sicheres, funktionales Design außerhalb der sicheren Betriebsluft- und Kriechstrecken zu bringen und Leistungsausfälle zu verursachen.

Herausforderung Lötstellen

Andere Faktoren, die zum Versagen von Leiterplatten und Komponenten beitragen, sind schlechte Lötstellen, nicht verbrauchtes oder überflüssiges Flussmittel und Zinnwhisker. Kalte Lötstellen, die entstehen, wenn das Lot während der Montage nicht vollständig schmilzt, führen zu schlechten Oberflächenverbindungen, die Bauteile verbrennen und Stromversorgungsprobleme verursachen. Überschüssiges Flussmittel kann aufgrund seiner Feuchtigkeitsaufnahme auch zur Korrosion beitragen und Kurzschlüsse und Schäden an Bauteilen verursachen. Zinnwhisker verursachen ebenfalls Kurzschlüsse. Conformal Coatings können normalerweise die Bildung von Zinnwhiskern während des Betriebs bekämpfen, sind aber weniger wirksam, wenn Whisker bereits vor der Beschichtung in der Baugruppe vorhanden sind. Im Allgemeinen hängt der Grad der Abschwächung mehr von der Beschichtungsdeckung als von den Eigenschaften der Beschichtung ab, obwohl es einige zweideutige Daten gibt, dass härtere und zähere Beschichtungen eine stärkere Abschwächung bewirken, aber dies muss mit einer erhöhten Auswirkung auf die Lebensdauer der Lötstelle abgewogen werden. Insgesamt dürfte eine 100%ige Abdeckung der Metalloberflächen eine effizientere Strategie zur Schadensbegrenzung sein.

Leiterbahnschäden können durch Überspannungen, Blitzeinschläge und Überhitzung entstehen. Schäden an den silbernen oder kupfernen Leiterbahnen sind normalerweise mit bloßem Auge zu erkennen, aber das ist nicht immer der Fall. Leiterbahnschäden führen zu erheblichen Problemen der Leitfähigkeit, den Bauteilen und der Zuverlässigkeit des Geräts. Glücklicherweise werden Schäden in der Regel bei der ersten Inspektion entdeckt und behoben, da sie gut erkennbar sind.

Herausforderung Design

Dies ist zwar keine erschöpfende Liste aller Faktoren, die zum Versagen von Leiterplatten beitragen, aber sie soll einen umfassenden Überblick über die wichtigsten Elemente geben, auf die man achten sollte. Schließlich kann auch das Design selbst für Leiterplattenausfälle verantwortlich sein. Um die Lebensdauer der Leiterplatte zu verlängern, muss unbedingt sichergestellt werden, dass die richtigen Komponenten und Materialien ausgewählt wurden, das Layout der Leiterplatte ausreichend ist und das Design auf seine spezifischen Anforderungen hin überprüft wurde. Das Design ist auch wichtig für die Bestimmung der geeigneten Beschichtungsmethode und damit für die Zykluszeiten und die damit verbundenen Kosten. Einige einfache Dinge, wie z. B. der Versuch, Steckverbinder oder andere nicht zu beschichtende Bereiche auf derselben Kante der Baugruppe zu halten, können einen großen Unterschied für die Einfachheit der Beschichtung einer Baugruppe, die Kosten für die Beschichtung dieser Baugruppe und ihrer Gesamtzuverlässigkeit ausmachen.

Fehlfunktionen nach der Beschichtung

Es gibt eine Reihe von Variablen, die für eine Fehlfunktion der Leiterplatte nach dem Beschichtungsprozess verantwortlich sein können. Im Allgemeinen könnten die Ergebnisse auf eine schlechte Produktauswahl und/oder -anwendung oder auf ein zugrundeliegendes Problem hinweisen, das auf eine unzureichende Oberflächenvorbereitung oder eine chemische Aktivität unter dem Lack zurückzuführen ist, die nichts mit der Beschichtungschemie zu tun hat. Bei schlecht funktionierenden Beschichtungen besteht die Gefahr eines Isolationsverlustes an der Leiterplattenoberfläche, wenn Wasser in Kombination mit ionischen Verunreinigungen kondensiert und leitende Pfade zwischen den Leiterbahnen bildet. Zweifelsohne kann die Kondensation den Isolationswiderstand einer Beschichtung auf eine harte Probe stellen. Es gibt viele Beschichtungsprodukte, die gegen diese Art von Bedingungen resistent sind, so dass diese Art von Problemen vermieden werden kann, indem von Anfang an eine geeignete Materialauswahl getroffen wird.

Auf die Schichtdicke achten

Wenn der Lack nicht richtig ausgehärtet ist, kann er seine Schutzeigenschaften nicht voll entfalten. In diesem Fall liegt die Schuld beim Applikationsverfahren. Der richtige Auftrag ist eine Voraussetzung für den Erfolg der Beschichtung, und damit lassen sich auch eine ganze Reihe von Problemen auf einen Schlag lösen. Bei vielen Beschichtungen sind beispielsweise eine schlechte Abdeckung, eine unzureichende Schichtdicke und eine Abdeckung scharfer Kanten schwer zu erreichen, und es kann schwierig sein, in diesen Bereichen eine ausreichende Schichtdicke sicherzustellen, um den Schutz aufrechtzuerhalten. Eine Kombination aus Materialauswahl und Anwendungstechnik/Verarbeitung wird diese Art von Problemen lösen. Die IPC-Spezifikation erlaubt eine Trockenschichtdicke zwischen 30 und 130 Mikrometern, wobei die größere Dicke durch das Auftragen mehrerer Beschichtungsschichten erreicht wird. Der Versuch, eine Trockenschichtdicke von 130 Mikrometern mit einem einzigen selektiven Beschichtungsverfahren mit einem lösungsmittelbasierten Acrylmaterial zu erreichen, ist ein Rezept für ein Desaster, das wahrscheinlich zu übermäßiger Blasenbildung, Schrumpfung des Films, De-Laminierung der Beschichtung und zusätzlicher Belastung der Komponenten führt. Das Ergebnis ist eher ein schlechterer Schutz als ein verbesserter Gesamtschutz der Schaltkreise. Eine einheitliche Schichtdicke von 30-50 Mikrometern anzustreben und sich bei jeder Anwendung auf eine perfekte Abdeckung zu konzentrieren, ist ein wesentlich besserer Ansatz zur Verbesserung des Schutzes elektronischer Schaltungen.

Es ist wichtig, die richtige Schichtdicke zu erreichen; bedenken Sie, dass eine zu dicke Beschichtung zu einem Einschluss von Lösungsmitteln in Bereichen führen kann, in denen die Beschichtung nicht vollständig aushärtet. Ebenso kann die Beschichtung während des Aushärtens reißen oder sogar Risse in den beschichteten Bauteilen selbst verursachen, die auf Temperaturschwankungen oder mechanische Stöße und Vibrationen zurückzuführen sind. Der wichtigste Erfolgsfaktor für die Zuverlässigkeit der Beschichtung liegt in der Anwendung. Oft kann ein schlechtes Material, das gut aufgetragen wird, genauso gut oder sogar besser sein als ein Material mit hervorragenden Eigenschaften, das schlecht aufgetragen wird. Bei der Beschichtung geht es darum, scharfe Kanten und Metalloberflächen ausreichend zu bedecken, ohne das Material an anderen Stellen zu dick aufzutragen. Natürlich lassen sich manche Materialien "besser auftragen" als andere und machen diesen Prozess so einfach und narrensicher wie möglich; aber letztendlich wird die Leistung von flüssig aufgetragenen Lacken immer davon abhängen, wie gut sie aufgetragen wurden.

Große Anordnungen von diskreten Bauteilen stellen aufgrund der hohen Kapillarkräfte eine große Herausforderung für die Beschichtung dar. Das Ergebnis ist oft katastrophal: Bereiche ohne Deckung/Schutz auf der Leiterplatte und umgekehrt Bereiche mit übermäßiger Dicke, die anfällig für Spannungsrisse, De-Laminierung und andere Beschichtungsfehler sind. Letztlich führt dies zu einem vorzeitigen Ausfall der Baugruppen und sollte nach Möglichkeit vermieden werden!

Es kann auch zu einer unerwarteten Wechselwirkung mit einem anderen Prozessmaterial kommen, das für die Vorbereitung/den Bau der Leiterplatte verwendet wurde. Flussmittelrückstände sind ein besonders anschauliches Beispiel für diese Art von Problemen. In einem "No-clean"-Prozess können diese beispielsweise die Aushärtung einiger Beschichtungsarten behindern oder zu einem Isolationsverlust des Systems führen, der größer ist als bei jedem Material für sich genommen. Ohne sorgfältige Vorbereitung oder Reinigung vor der Beschichtung können korrosive Rückstände, die die Leiterbahnen der Leiterplatte überbrücken, mit der Zeit zu Ausfällen führen. Und auch wenn die Beschichtung den Ausfall über viele Jahre hinauszögern kann, wird es irgendwann unweigerlich zu einem Ausfall kommen.

Der größte Test für die Leistung von Schutzlacken findet beim Einschalten unter nassen Bedingungen statt, sei es durch Kondensation, Eintauchen oder Salzsprühnebel. Wasser mit löslichen Verunreinigungen ist elektrisch leitfähig und führt, wenn es Schwachstellen in der Beschichtung findet, zu Kurzschlüssen auf der Leiterplattenoberfläche. Um unter diesen Umständen Schutz zu bieten, muss eine 100 %ige, fehlerfreie Abdeckung der Metalloberflächen der Leiterplatte erreicht werden, was eine echte Herausforderung sowohl für das Material selbst als auch für den Anwendungsprozess darstellt. Glücklicherweise ermöglicht eine neue Klasse von zwei-komponentigen Conformal Coatings mit der Bezeichnung '2K' eine viel größere Schichtdicke und eine perfekte Anwendungsabdeckung, was zu einem weitaus höheren Schutzniveau führt. Electrolube hat daher 2K-Beschichtungsmaterialien im Programm, die die zähen, widerstandsfähigen Eigenschaften einer Vergussmasse mit dem einfachen Auftragen einer Beschichtung kombinieren, was durch Kondensationstests unter Strom und durch Tauchtests unter Strom in Salzwasser eindrucksvoll bewiesen werden konnte.

Fazit

Leiterplatten sind die Lebenskraft aller elektronischen Geräte, auf die wir uns tagtäglich verlassen, von Smartphones, Tablets, PCs und Laptops bis hin zu Straßenbeleuchtung, Fernsehern, Kühlschränken, Mikrowellen und Autos. Wenn eine Leiterplatte ausfällt, kann dies enorme Auswirkungen haben und in Fällen wie der Luft- und Raumfahrt sogar kritisch sein. Daher können die zum Schutz elektronischer Baugruppen ausgewählten Materialien buchstäblich über Erfolg oder Misserfolg einer Leiterplatte entscheiden, insbesondere wenn sie erheblichen physischen Stößen und thermischen Zyklen standhalten muss. Prüfungen und Tests vor und nach der Beschichtung sind unerlässlich, um sicherzustellen, dass die Leiterplatte zuverlässig funktioniert und ihre Lebensdauer verlängert wird, besonders wenn sie in einer rauen Umgebung eingesetzt werden soll.