Dehnungsmessung beim Nutzentrennen

Mit einer Dehnungsmessung ist es möglich, die mechanische Belastung beim Nutzentrennen zu erfassen. Hier können auch die vor- und nachbereitenden Arbeitsschritte wie etwa das Einlegen in die Nutzenaufnahme, das Ausheben des Nutzens oder der Einzelleiterplatte aus der Trennvorrichtung, das Einpressen von Steckkontakten, der Einbau in ein Gehäuse oder die Adaption auf andere Baugruppen beispielsweise mittels Einpresstechnik analysiert werden. Erfasst wird hierbei mit Dehnungsmessstreifen (DMS, Bild 2) die Oberflächendehnung oder Oberflächenstauchung. Angeordnet in einer Wheatstoneschen Brückenschaltung wird die Veränderung des Widerstandswertes des DMS mit einem Oszilloskop gemessen und daraus die Verformung berechnet.

Bild 3: Keramikkondensatoren sind mechanisch empfindliche Komponenten: Gut zu erkennen ist der Kondensatorbruch nach einer mechanischen Belastung.

Bild 3: Keramikkondensatoren sind mechanisch empfindliche Komponenten: Gut zu erkennen ist der Kondensatorbruch nach einer mechanischen Belastung. Fraunhofer Isit

Mechanisch empfindliche Komponenten sind etwa Keramikkondensatoren, hier treten Brüche ab einer Dehnung von ca. 1500 ppm auf [6]. Zu berücksichtigen sind unter anderem Baugröße, Steifigkeit des Trägermaterials, Lotvolumen, Belastungsgeometrie und Belastungsgeschwindigkeit. Eine schnellere Belastung führt zu höheren Kräften, bei langsamer Belastung kann die Lötverbindung durch Kriechen nachgeben. Kondensatorbrüche können zum Ausfall bis hin zur vollständigen Zerstörung des betroffenen Produkts führen. Bild 3 zeigt einen metallographischen Querschliff eines gebrochenen Keramikkondensators nach mechanischer Belastung.

 

Um die mechanische Belastung zu minimieren, wird von Bauteilherstellern die Anordnung von Chipkondensatoren parallel zur Biegekante oder im Bereich von Ausfräsungen empfohlen, wie in Bild 4 dargestellt. Bild 5 zeigt den Dehnungsverlauf bei einem vollständigen Trennvorgang mit einem Rollen-Linearmesser. Deutlich ist zu erkennen, dass es zu einer Stauchung beziehungsweise Dehnung mit Amplituden deutlich größer 1500 ppm kommt. Dieses Trennverfahren hat sich im untersuchten Beispiel als ungeeignet für eine kritische Bestückung erwiesen. Insbesondere Toleranzen im Reststeg führen zu einer undefinierten und ungleichmäßigen Belastung.

 

Belastungen beim Trennverfahren

Die Belastung ist in diesem Beispiel auf der Seite des rollenden Messers (Leiterplatten-Oberseite) deutlich geringer als auf der gegenüberliegenden Seite. Das ist aber produktspezifisch und kann nicht verallgemeinert werden. Baugruppen, die etwa aufgrund ihrer Bestückung bereits mit Kraft auf die Trennvorrichtung geklemmt werden müssen, können allein hierdurch Dehnungen von weit über 800 ppm erfahren, was deutlich über dem in der Automobilindustrie anerkannten Grenzwert von 500 ppm liegt. Gewaltsames Aufklemmen des Nutzens kann zudem die Mechanik der Trennmaschine dauerhaft schädigen und durch nicht exakt übereinander stehende Messer zusätzliche Belastungen auf die Baugruppe übertragen.

Bild 6 (l.): Ergebnisse einer Untersuchung verschiedener Nutzentrennverfahren I und

Bild 6 (l.): Ergebnisse einer Untersuchung verschiedener Nutzentrennverfahren I und Fraunhofer Isit

Bilder 6 und 7 zeigen Einzelergebnisse der mechanischen Belastung bei Anwendung verschiedener Nutzentrennverfahren an unterschiedlichen Produkten. Einzelne Trennverfahren führen zu einer möglicherweise unzulässigen Belastung. Hierzu müssen jeweils die produktspezifischen Gegebenheiten wie Layout, Bestückung, Fertigungsprozesse und die Einsatzbedingungen des Produkts berücksichtigt werden. Eine Verallgemeinerung der Ergebnisse ist nur bedingt zulässig.

 

Zusammenfassung

Nutzengestaltung und die Anforderungen an die Nutzentrennung müssen bereits zu Beginn der Entwicklung eines neuen Produkts und noch vor dem Leiterplatten-Design in das Produkt einfließen. Da die Nutzentrennung fast am Ende der Wertschöpfungskette liegt, ist ein Baugruppen schonender, sicherer Prozess unerlässlich.

 

Bild 7 (r.) Ergebnisse einer Untersuchung verschiedener Nutzentrennverfahren II. (8) und (9).

Bild 7 (r.) Ergebnisse einer Untersuchung verschiedener Nutzentrennverfahren II. (8) und (9). Fraunhofer Isit

Der in der Automobilindustrie allgemein anerkannte Grenzwert für die Dehnungs-/Stauchungsbelastung von Keramikkondensatoren liegt bei 500 ppm. Eine geeignete Bauteilanordnung minimiert den mechanischen Stress und konstruktiv durchdachte Sollbruchstellen reduzieren die Krafteinwirkung auf die Leiterplatte beim Nutzentrennen. Jedoch muss die Stabilität des Nutzens für weitere Prozesse beachtet werden.

 

Manuelle Prozesse können die Qualität negativ beeinflussen und verursachen Prozessschwankungen. Hier sollte nur geschultes Personal zur Nutzentrennung eingesetzt werden. Mechanisch stressarme Trennmethoden sind Sägen, Fräsen, Trennen mit Schneidmessern im Gesamtschnitt (Reststegstanze) und Lasern. Sägen und Fräsen jedoch kann vibrationsempfindliche Komponenten wie etwa Beschleunigungs-, Schwingungs- und Lagesensoren schädigen. Hierzu müssen gegebenenfalls entsprechende Messungen durchgeführt werden. Vor- und Nachteile einzelner Nutzentrennverfahren (Investition und laufende Kosten, Mitarbeiterqualifikation, mechanische Beanspruchung, usw.) müssen individuell für das eigene Produktportfolio betrachtet werden.

electronica 2018: Halle C5, Stand 426

 

Literaturverzeichnis

[1] IPC-2221, Generic Standard on Printed Board Design. 11/2012.

[2] IPC-2222, Sectional Design Standard for Rigid Organic Printed Boards . 12/2010.

[3] IPC-7351, Generic Requirements for Surface Mount Design and Land Pattern Standard. 06/2010.

[4] IPC-A-600, Acceptability of Printed Boards . 06/2016.

[5] IPC-A-610, Acceptability of Electronic Assemblies. 10/2017.

[6] Jim Bergenthal, John D. Prymak. KEMET Engineering Bulletin F-2110, Capacitance Monitoring While Flex Testing. June, 1995.

[7] Murata Manufacturing Co., Ltd. Chip Multilayer Ceramic Capacitors for General, C02E.pdf, Nov.27, 2017, page 273.

[8] Schütrumpf, N. Untersuchungen von stressfreien Trennmethoden. 9. EE-Kolleg 2006

[9] ISIT-eigene Messungen.

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