Bei der Entwicklung von Leiterplatten müssen wir auf die Vibrationen achten. Wir müssen Schwingungsermüdung einplanen. Wenn wir das nicht tun, wird eine Leiterplatte nicht lange halten. Viele Leiterplatten sitzen still und bewegen sich nicht viel. Andere Leiterplatten arbeiten an Orten mit großer Bewegung. Bei diesen Geräten kann es sich um alles handeln, vom kleinen Spielzeug bis hin zu komplexen Raumfahrzeugen. Einige Platinen bewegen sich nicht, sind aber dennoch Belastungen durch die Herstellung, thermische Veränderungen oder harte Stöße durch den Benutzer ausgesetzt. Um dies zu bewältigen, PCB-Designer müssen die Grundlagen der Schwingungsermüdung in ihren Konstruktionen kennen und wissen, wie sie deren Auswirkungen verringern können. Hier sind einige Ideen, die helfen können.
Umweltstress und Vibrationsermüdung
Bis zu 20% der PCB-Ausfälle werden durch Vibrationen und Stöße verursacht. Diese Zahlen wurden zuerst von der Luftwaffe genannt, aber viele andere Branchen berichten von ähnlichen Raten. Dies zeigt, wie wichtig es ist, Leiterplatten so zu konstruieren, dass sie zufälligen Vibrationsbelastungen und Ermüdungserscheinungen standhalten. Dies ist besonders wichtig für Leiterplatten, die in vibrationsanfälligen Umgebungen wie der Luft- und Raumfahrt eingesetzt werden.
Kernplattenmaterialien (zum Beispiel FR-4) kommen mit Vibrationen und Stößen recht gut zurecht. Elektronische Bauteile, die auf die Platine gelötet sind, jedoch nicht. Durch Vibrationen verbiegt sich die Platine. Bauteilanschlüsse können durch Biegen und Dehnen brechen. Auch Lötzinn ist anfällig für Vibrationsbelastungen. Es kann reißen und die elektrische Verbindung zwischen einer Leitung und der Leiterplatte unterbrechen. Selbst geringe Vibrationen können über einen längeren Zeitraum zu einer Ermüdung von Bauteilanschlüssen und Lötstellen führen. Ohne gute PCB-Design-Praxis können Lötstellen durch Vibrationsermüdung brechen.
Fertigungsstress kann zu Schwingungsermüdung führen
Ein weiterer Faktor, der zum Versagen durch Schwingungsermüdung führt, ist die Belastung durch die PCB-Herstellung Prozess. Bauteilanschlüsse und Lötstellen sind anfällig für Temperaturschocks. Gute DFM-Praktiken (Design for Manufacture) sind entscheidend für den Umgang mit diesen Auswirkungen. Ein Beispiel ist das Design von Pads auf der Leiterplatte, damit die Bauteilanschlüsse korrekt gelötet werden können.
Schlecht gestaltete Lötaugen können verhindern, dass das Lot die oberflächenmontierten Leitungen richtig ausfüllt. Lötmittel kann von einem Durchgangsloch-Pad abperlen. Diese Probleme können zu einer schlechten Lötverbindung führen. Auf einem großen Wärmeleitpad kann beispielsweise das Abfließen des Lots von einem unbedeckten Durchgang verhindern, dass ein Erdungsstift des Geräts eine gute Lötverbindung erhält. Das Teil mag die Herstellung und Prüfung bestehen. Aber Vibrationen können eine dünne Lötstelle abnutzen, bis sie in der Praxis zeitweise oder vollständig ausfällt.
Was können Sie tun, um Vibrationsermüdung vorzubeugen?
Der erste Schritt ist das Design for Reliability (DFR). DFR ist die Arbeit in der Entwurfsphase, die die Zuverlässigkeit der Leiterplatte sicherstellt, bevor Sie die Leiterplatte bauen. Teil dieser Arbeit ist die Einbeziehung guter DFM Praktiken im Design. Ihr Leiterplattenhersteller kann Ihnen bei der Auswahl der richtigen Pad- und Gehäusegrößen für Teile helfen. Er kann Ihnen Designregeln geben, damit Sie die richtige IPC-Klasse für Ihre Leiterplatte einhalten können. Ein weiterer DFR-Schritt ist die Verwendung von Simulationswerkzeugen, um vorherzusagen, wo im Entwurf Fehler auftreten könnten. Dann können Sie das Design vor der Fertigung ändern.
Jeden Tag kommen neue Werkzeuge und Methoden zur Behandlung von Schwingungsermüdung und zur Durchführung von Zufallsschwingungsanalysen auf den Markt. Dennoch ist es üblich, neue Konstruktionen mit physikalischen Schwingungs- und Stoßtests zu prüfen. Man erzwingt schnell Ausfälle, indem man höhere Vibrationen und Stöße anwendet, als das Produkt im normalen Gebrauch erfährt. Dieser hoch beschleunigte Lebensdauertest (HALT) ist ein wichtiger Bestandteil der Entwicklung neuer Produkte. Er deckt potenzielle vibrationsbedingte Ausfälle auf. So kann sichergestellt werden, dass die Leiterplattenstruktur zuverlässig funktioniert.
