Koplanaritätsmessungen

Die Trends zu hoher Leistung, Miniaturisierung und hoher Packungs- und Integrationsdichte in der Elektronikentwicklung führen zu zunehmend höherer Leistungsdichte bei geringerem Volumen der elektronischen Produkte. Das moderne Elektronik-Design in der Industrie hat sich durch die Suche nach optimalen Methoden zur Wärmeableitung und bestmögliche konstruktive Auslegung dramatisch verändert. Untersuchungen haben gezeigt, dass die Zuverlässigkeit elektronischer Komponenten in einem Bereich zwischen 70 °C und 80 °C jeweils um fünf Prozent abnimmt, wenn die Betriebstemperatur um 1 °C steigt. Daher hängt die Zuverlässigkeit eines Systems in erster Linie vom Wärmemanagement der Leiterplatte und der Reduktion der Arbeitstemperatur ab.

Bereits 1985 wurden HITT-Platinen als erste Generation von Wärmeleit-Substraten bei Denka in Japan entwickelt. Heute sind viele Produkte aus dem Bereich des Wärmemanagements erhältlich, darunter Extremkupfer-Material, thermisch leitende Materialien, metallbasierte Leiterplatten auf Basis von Aluminium oder Kupfer sowie Embedded-Metallplatinen, die jeweils die Erfahrung und die Leistung der Elektronik-Ingenieure vereinen.

Embedded Metal Boards sind Platinen, auf denen Leistungskomponenten auf lokal verankerten Metallblöcken montiert sind. Die Leistungsbausteine werden direkt auf den Metallblöcken montiert, sodass darüber ein Großteil der Abwärme direkt zu speziellen Kühlkörpern auf der anderen Seite der Platine abfließen kann. Mit dieser Technologie lässt sich die Arbeitstemperatur sowohl der Komponenten als auch der Platine effizient reduzieren, und somit die Lebensdauer der Endprodukte verlängern. Es zeigt sich, dass die Leiterplattentechnologie mit solchen integrierten Embedded-Komponenten effektiv zu Fortschritten bei der Bestückungsdichte und -zuverlässigkeit, der Leistungsfähigkeit der Verbindungen und zur Reduktion der Gesamtkosten beiträgt, sodass diese Technologie zunehmend an Popularität gewinnt.

Tabelle 1: Vergleich zwischen Koplanarität, Ebenheit und Durchbiegung. PCBcart

Definition und Bedeutung von Koplanaritätsmessungen

Die Koplanarität beschreibt den maximalen Abstand zwischen den physischen Auflagepunkten eines SMD-Bauteils und der Platinenebene, um sicherzustellen, dass alle Bauteilanschlüsse innerhalb ihrer Herstellungstoleranzen liegen. In der Platinenbestückungsindustrie geht es eher um Ebenheit und Durchbiegung als um Koplanarität. Ein Vergleich zwischen Ebenheit, Durchbiegung und Koplanarität ist in der Tabelle 1 zusammengefasst.

Nach der Tabelle 1 ist die Durchbiegung ein Schlüsselkriterium für einfache Leiterplatten. Bei Embedded-Leiterplatten ist wiederum die Koplanarität von Komponenten an bestimmten Stellen der Platine das entscheidende Element. Die Gemeinsamkeit von Koplanarität, Ebenheit und Durchbiegung liegt darin, dass alle drei eine Abweichung der realen Gegebenheiten von der idealen Form widerspiegeln.

Tabelle 2: Vor- und Nachteile der Querschnittsanalyse-Messung. PCBcart

Wenn der Kunde integrierte SMD-Komponenten mit gelöteten Leistungsbauteilen und Abstrahlelementen auf der Platine verlangt und die Platine sowie ihre Komponenten dabei keine einwandfreie Koplanarität aufweisen, kann es vorkommen, dass die Verwendung von Lötpaste unzureichend ist, wodurch die Lötstellen der Leistungskomponenten oder Kühlelemente unzuverlässig sind oder dass es zu Kurzschlüssen durch zu viel Lötpaste kommt. Daher muss die Koplanarität der Leiterplatten und ihrer integrierten Komponenten bei der Herstellung streng überwacht werden.

Grundlagen von Koplanaritätsmessungen

Bisher gibt es in der Leiterplattenindustrie keine einheitliche und spezifische Regelung zur Messung der Koplanarität integrierter Komponenten. Dennoch sollte die Koplanarität zwischen Anschlüssen und der Platinenoberfläche klaren Regeln im PCBA- und Lötprozess entsprechen. Dazu müssen einige Begriffe definiert werden, die bei der Koplanaritätsmessung eine Rolle spielen:

• Koplanarität gibt den Versatz zwischen dem zu messenden Objekt und einer Bezugsebene.
• Offset (Versatz) der Koplanarität bezieht sich auf den Abstand zwischen zu messendem Objekt und der Bezugsebene.
• Der letztlich gemessene Wert ist der maximale Versatz über das gesamte Objekt.
  

  Tabelle 3: Vor- und Nachteile der 3D-Koordinaten-Messung. PCBcart

Grundsätzlich gibt es zwei Methoden zur Koplanaritätsmessung: die Prismen- und die Projektionsmethode. Erstere wird verwendet, um den Abstand zwischen Messpunkten und der Bezugsebene von fünf Ebenen zu bestimmen. Die Projektionsmethode misst den Abstand zwischen Messpunkt und Bezugsebene, wobei diese nur geeignet ist, die Koplanarität einer Ebene zu messen. Beide Methoden folgen demselben Messprinzip und bieten damit auch die gleiche Messgenauigkeit. Projektionsmessungen erlauben jedoch eine dreifach so hohe Messgeschwindigkeit wie die Prismenmessung.

Querschnittsanalyse-Messung

Die Querschnittsanalyse-Messung betrachtet und beurteilt die interne Struktur oder Defekte einer Leiterplatte. Die Methode wird angewendet, um die Koplanarität integrierter Metallblöcke von Platinen zu testen. Zuerst werden hierbei Proben hergestellt, indem Schnitte der integrierten Metallblöcke und Teile der Platine angefertigt werden. Daraufhin werden diese geschliffen, poliert und nachbehandelt. Anschließend wird die Höhendifferenz zwischen integriertem Metallblock und der umgebenden Leiterplatte mit einem Mikroskop untersucht. Die Vor- und Nachteile dieser destruktiven Untersuchungsmethode zeigt Tabelle 2.

Tabelle 4: Vor- und Nachteile der 3D-Abbildungs-Messung. PCBcart

3D-Koordinaten-Messung

Das Prinzip der 3D-Koordinaten-Messung basiert auf der Aufnahme von Messpunkten mittels der Fokussierung einer Linse auf die Probenoberfläche. Aus der Bestimmung der Höhenwerte aller Messpunkte in Z-Richtung ergibt sich der Koplanaritätswert der Probenoberfläche. Die Vor- und Nachteile sind in Tabelle 3 zusammengefasst.

3D-Abbildungs-Messung

In den vergangenen Jahren ist der Bedarf an bildgebenden Messmethoden in der Leiterplattenindustrie gestiegen. Eine Reihe von 3D-Messinstrumenten wurde entwickelt. Dank hoch auflösender Optiken und spezieller Algorithmen erlauben diese Instrumente erstmals stereoskopische Scans von Proben und damit dreidimensionale Bildgebung. Entsprechend der Kundenwünsche lassen sich mit den Algorithmen darüber hinaus Analysen entlang der Oberflächenlänge oder -breite und Form sowie der stereoskopischen Form, Position oder Höhe errechnen. Vor- und Nachteile zeigt Tabelle 4.

Trilineare Kontaktstellen-Messung

Im Messprinzip ähnlich der einfachen 3D-Koordinaten-Messung basiert die trilineare Kontaktstellen-Messung auf dem Kontakt zwischen kleinen Messvorrichtungen und der zu messenden Oberfläche. Eine Reihe von Berechnungen führt dann zu den gewünschten Daten wie Ebenheit und 3D-Abmessungen, woraus sich die Koplanarität der Metallblöcke ableiten lässt. Zu den Eigenschaften der trilinearen Kontaktstellen-Messung zählen:

• Nicht-destruktive Online-Messung großer Leiterplatten
• Bei der Koplanaritätsmessung integrierter Kupferblöcke beeinflussen die Fokussierungseigenschaften eines bildgebenden Verfahrens nicht das Messergebnis in Z-Richtung. Dennoch kann es zu relativ großen Positionierungsfehlern bei der Messung kleiner Kupferblöcke kommen.
• Exzellente Genauigkeit und Wiederholbarkeit. Bei einer großen Anzahl durchzuführender Messungen lassen sich Messprogramme mit hoher Effizienz implementieren.

Aufgrund der beschriebenen Messmethoden zur Koplanarität lässt sich die Tabelle 5 erstellen.

(jj)